不同条件秸秆还田下旱地玉米-小麦轮作系统生产力及温室气体排放的变化

摘要

近年来，由于温室气体在大气中浓度不断升高所引发的气候变化受到国内外的广泛关注，减缓气候变化，共同推进绿色、低碳发展已成为当今世界的主流。农田生态系统作为温室气体的重要排放源，其中化肥的大量施用是加剧土壤温室气体排放的重要因素，如何通过农田管理措施降低农业碳排放和增加土壤碳固定已经成为当前农田土壤固碳研究的重要课题。近年来，随着生物质炭研究的不断深入，农作物秸秆炭化还田为农田土壤固碳提供了新途径。生物质炭是农作物秸秆等有机废弃物在高温裂解下的富碳产物，其应用作为农田固碳减排的重要措施已经受到国内外研究者的普遍关注，而在减施氮肥下秸秆生物质炭对农田综合温室效应的影响还相对缺乏，因此，本研究以华北平原典型的旱地土壤-褐土为研究对象，田间试验共设置了，试验1.不同类型秸秆生物质炭还田的对比试验:不施肥处理(CK)，小麦秸秆炭和玉米秸秆炭不配施氮肥处理(WCN0和MCN0)，小麦秸秆炭和玉米秸秆炭配施氮肥处理(WCN1和MCN1);试验2.减施氮肥条件下秸秆炭化还田与直接还田的对比试验:秸秆还田配施全量化肥氮肥处理(SN100)、减氮10％处理(SN90)、减氮20％处理(SN80)，生物质炭配施化肥全量氮肥处理(BN100)、减氮10％处理(BN90)、减氮20％处理(BN80)，研究了小麦-玉米轮作系统中不同秸秆生物质炭及减施氮肥条件下秸秆直接还田与生物质炭还田对土壤性质，作物产量以及温室气体排放的影响，主要研究结果如下:
　　1.不同秸秆生物质炭对土壤性质的影响:生物质炭处理显著提高了土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量，并且可降低土壤容重，并显著增加硝态氮，速效磷和速效钾等土壤养分含量;除玉米炭处理比小麦炭处理的速效钾含量提高16.01％之外，各处理间的土壤性质无显著差异。土壤微生物量炭与作物生育期有关，从苗期到拔节期呈增加的趋势，而后至成熟期不断降低。而除玉米抽穗期小麦炭处理显著高于玉米秸秆炭处理24.68％外，其余处理间的微生物量无显著差异。
　　2.不同秸秆生物质炭对作物产量及氮素利用率的影响:无论施用氮肥与否，施用秸秆炭处理的作物产量均高于CK。在不施氮条件下，两种秸秆炭处理的玉米产量虽无显著差异，但玉米炭比相应小麦炭处理的小麦产量显著增加了12.34％;在施氮肥条件下，对于后茬玉米产量，玉米炭处理比小麦炭处理显著增加了9.18％，两种秸秆炭处理的其它作物季产量无显著差异。不同秸秆炭对作物产量与氮素农学利用率的效应不同，两种秸秆炭处理相比，玉米炭较小麦炭可显著增加作物产量，而对于氮素的农学利用率而言，小麦秸秆炭促进玉米季氮素农学利用率，而在麦季两种秸秆炭的作用相反。
　　3.无论施用氮肥与否，两种秸秆炭处理的N2O和CH4排放均无显著差异。小麦炭处理在不施氮肥条件下在后茬玉米中，玉米炭处理比小麦炭处理的CO2季节排放量显著增加24.72％，然而其它条件下两种秸秆炭处理间其排放无显著差异。不施氮条件下，小麦炭处理比玉米炭处理第一季玉米季的综合温室效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)显著降低了23.16％和13.70％;在施氮条件下，两种秸秆炭的GWP和GHGI,均无显著差异。
　　4.氮肥减施条件下秸秆还田与生物质炭还田对旱地土壤理化性质及作物产量影响显著。与秸秆还田直接相比，生物质炭还田在小麦-玉米生长季中显著增加土壤有机碳含量13.37％～16.79％。与常规处理相比，在减氮10％条件下秸秆还田和生物质炭还田与其土壤全氮无显著差异;在减氮20％条件下，秸秆还田土壤全氮显著下降，而生物质炭处理的氮素水平无显著变化。从作物的产量来看，与常规处理相比，生物质炭还田在减施氮肥20％条件下的作物产量无显著变化，而秸秆还田处理在减施氮肥10％条件下对作物产量无显著影响，但减氮20％条件下显著降低小麦产量6.42％。
　　5.氮肥减施条件下秸秆还田与生物质炭还田对旱地土壤温室气体排放和综合温室效应的影响:旱地土壤中N2O，CH4和CO2的排放动态因气体种类而异。生物质炭还田与秸秆还田在减施氮肥条件下N2O的季节排放量均随氮肥施用量的减少而降低。秸秆还田处理下，相比较全量氮肥而言，在玉米季和麦季减施氮肥10％和20％条件下，可降低32.14％～36.90％N2O排放;生物质炭还田在减施氮肥10％和20％条件下，可显著降低N2O排放36.90％～54.25％。各处理土壤CH4排放动态在玉米-小麦生长季中无显著变化，主要呈弱汇的趋势。对土壤CO2排放而言，秸秆还田处理的CO2排放均随氮肥用量的降低而呈增加，而生物质炭还田处理则随氮肥用量的降低而降低。减施氮肥显著降低作物生产的碳强度。与常规秸秆直接还田相比，秸秆还田减氮10％处理玉米季的GWP和GHGI无显著变化，而减氮20％处理在麦季分别显著降低了38.79％和36.40％;生物质炭还田在玉米季减施氮肥条件下，可显著降低GWP(52.06％～54.63％)和GHGI(52.19％～53.51％)，在麦季也可显著降低GWP(40.87％～52.08％)和GHGI(40.48％～42.86％);等氮条件下的生物质还田处理较秸秆还田处理，在减施10％和20％条件下N2O排放，GWP和GHGI均可降低。
　　因此，在麦-玉轮作系统中，玉米炭在无氮肥或配施氮肥条件下可提高作物产量，且不同作物秸秆炭对氮素的农学利用率因作物类型而异。在减施氮肥且保持产量稳定的条件下，秸秆还田仅可减施10％氮肥，而生物质炭还田可减施20％氮肥，并且可显著降低作物生产的温室气体排放及综合温室效应。

目录

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论文说明

摘要

缩略语一览表

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．2 生物质炭在农田土壤的应用

1．2．1 生物质炭的制备及性质

1．2．2 生物质炭对农田土壤质量的改善

1．2．3 生物质炭对作物生产力的影响

1．2．4 生物质炭对农田温室气体排放的影响

1．3 问题的提出

1．4 研究目的及内容

1．5 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 试验区概况

2．2 试验材料

2．4 样品采集与测定

2．4．1 土壤样品的采集与测定

2．4．2 植株样品的采集与分析

2．4．3 气体样品的采集与测定

2．5 数据处理与统计分析

第三章 不同秸秆生物质炭对作物产量及土壤温室气体排放的影响

3．1 结果与分析

3．1．1 不同秸秆生物质炭下作物产量及其构成因素的变化

3．1．2 不同秸秆生物质炭下土壤性质的变化

3．1．3 不同秸秆生物质炭下土壤温室气体排放的变化

3．2 讨论

3．2．1 不同秸秆炭对作物产量及土壤理化性质的影响

3．2．2 不同秸秆炭对土壤温室气体排放及综合温室效应的影响

3．3 小结

第四章 减氮条件下秸秆炭化与直接还田对作物产量及温室气体排放的影响

4．1 结果与分析

4．1．1 减氮条件下秸秆炭化与直接还田作物产量及构成因子的变化

4．1．2 减氮条件下秸秆炭化与直接还田土壤性质的变化

4．1．3 减氮条件下秸秆炭化与直接还田土壤温室气体排放的变化

4．2 讨论

4．2．1 减氮条件下秸秆炭化与直接还田对作物产量及土壤理化性质的影响

4．2．2 减氮条件下秸秆炭化和直接还田对土壤综合温室效应的影响

4．3 小结

第五章 全文结论与展望

5．1 全文结论

5．2 研究创新点

5．3 研究不足与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢