氮肥配施生物炭对稻麦轮作稻田土壤剖面CH4和N2O分布与扩散的影响

摘要

农田温室气体排放在全球气候变化中占有重要地位。除二氧化碳(CO2)外，甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是对气候变化贡献率最高的两种温室气体。稻田CH4和N2O排放是其在土壤中经过产生、消耗、运移以及向大气扩散等过程后的综合表观结果。研究中国稻麦轮作稻田土壤剖面中N2O和CH4分布和扩散特征有助于明确稻田土壤CH4和N2O的存储状况及产生位点;进一步研究生物炭施用对土壤剖面CH4和N2O含量和排放规律的影响，为生物炭农田减排应用提供更多科学依据。
　　本文利用土壤气体原位采集装置对中国稻麦轮作系统土壤剖面不同深度（以7cm、15 cm、30 cm和50 cm为中心深度表征上下5 cm的土壤剖面）的温室气体浓度进行2013.06-2015.06为期2周年动态观测，通过气体浓度计算CH4和N2O在不同土层中的扩散规律，同时结合静态箱-气相色谱法同步动态观测稻麦轮作系统温室气体排放规律，对稻麦轮作稻田土壤CH4和N2O分布、扩散和排放规律进行综合评价。试验设不施氮肥和生物炭(N0B0)、单施生物炭(N0B1)、单施氨肥(N180)、氮肥配施20t ha-1生物炭(N181)和氮肥配施40t ha-1生物炭(N182)共5个处理，每个处理设3次重复。
　　结果表明:稻田CH4主要产生和排放于水稻季。水稻季表层7 cm处土壤CH4平均浓度最高，且随着深度的增加浓度逐渐降低(P＜0.05);小麦季稻田土壤各深度CH4平均浓度较低且各土层无显著差异。水稻季土壤CH4在不同土层中的平均扩散通量以7-0 cm（7cm向0 cm土层的扩散通量）最高且为正值，表现为CH4的排放源;小麦季稻田土壤表现为对CH4的吸收汇。氮肥显著增加了水稻季稻田土壤所有土层的CH4浓度和排放通量(P＜0.05)，而对小麦季无显著影响。与N180相比，2013年水稻季N181和N182处理显著降低了CH4排放，N182处理显著降低了土壤各深度CH4浓度(P＜0.05);N182处理显著降低了2014年水稻季CH4排放(P＜0.05)，与N180相比，N181和N1B2显著降低了2014年水稻季土壤7 cm、15 cm和30 cm处CH4浓度(P＜0.05)，而N181与N182处理间无显著差异。
　　水稻季土壤7 cm处N2O平均浓度显著高于其他土层;小麦季15 cm和30 cm处N2O平均浓度显著高于7 cm和50 cm(P＜0.05)。结合扩散通量可知水稻季N2O主要产生于表层(0～7 cm)土层，小麦季N2O主要产生于7～30 cm土层。氮肥施用显著增加了稻麦轮作土壤各层次N2O浓度和排放量(P＜0.05)。与N180相比，N182显著降低了2013-2015年两个小麦季稻田土壤N2O浓度和地表排放量，降幅随着深度的增加而减少;N181相对于N180仅在2013-2014年小麦季显著降低了N2O排放，对土壤N2O浓度和其他时期排放无显著影响。
　　稻麦轮作稻田土壤7-0 cm的CH4扩散通量与地表排放通量具有显著正相关关系，但CH4累积扩散通量显著低于地表累积排放量(P＜0.05);稻麦轮作系统土壤7-0 cm处N2O扩散通量与地表排放通量具有显著正相关关系，且无显著性差异。
　　因此，氮肥配施生物炭在一定程度上可以有效减少稻田土壤CH4和N2O的产生和排放，浓度梯度法适用于研究稻麦轮作系统稻田土壤CH4和N2O的产生位点和分布规律，也适用于估算稻田N2O的排放规律。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 土壤CH4与N2O的产生与分布

1．2．1 土壤CH4产生与分布

1．2．2 土壤N2O产生与分布

1．3 生物炭农田应用研究进展

1．3．1 氮肥与生物炭对农田土壤CH4影响的研究进展

1．3．2 氮肥与生物炭对农田土壤N2O影响的研究进展

1．4 土壤剖面气体研究进展

1．4．1 土壤剖面气体采集方法

1．4．2 土壤剖面气体扩散通量的应用

1．5 研究问题的提出及意义

1．6 研究内容

1．7 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 试验区概况

2．2 试验设计

2．3 田间管理

2．4 数据采集及分析

2．4．1 土壤剖面气体样品采集

2．4．2 土壤气体扩散通量的计算

2．4．3 气体排放通量的计算

2．4．4 土壤样品测定

2．4．5 数据统计分析方法

第三章 氮肥配施生物炭对稻田土壤CH4分布及扩散的影响

3．1 稻田土壤CH4浓度分布

3．2 稻田土壤CH4排放及扩散

3．3 土壤CH4扩散与排放通量的比较研究

3．4 讨论

3．4．1 氮肥配施生物炭对稻田土壤CH4浓度和排放的影响

3．4．2 稻田土壤CH4的分布与扩散

3．4．3 稻田土壤CH4扩散和排放通量对比研究

3．5 小结

第四章 氮肥配施生物炭对稻田土壤N2O分布及扩散的影响

4．1 稻田土壤N2O浓度分布

4．2 稻田土壤N2O排放及扩散

4．3 土壤N2O扩散与排放通量的比较研究

4．4 讨论

4．4．2 稻田土壤N2O的分布与扩散

4．4．3 稻田土壤N2O扩散和排放通量对比研究

4．5 小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究结论

5．2 主要创新点

5．3 不足之处

5．4 研究展望

参考文献

致谢

作者简介