生物炭对稻田和菜地温室气体排放的影响研究

摘要

减缓农田生态系统主要温室气体（CO2、CH4和N2O）排放在当今应对全球变暖和臭氧层破坏两大全球环境问题中起着十分重要作用。农田生态系统温室气体减排对于实现2009年我国政府提出到2020年全国单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40-45％的承诺有重要贡献。研究生物炭对于减少农田温室气体排放以及增加土壤碳固定，对于寻求有效的固碳减排措施有重要影响。本研究主要以我国华东地区稻麦轮作和蔬菜种植生态系统为对象，采用静态暗箱-气相色谱法原位同步测定CO2、CH4和N2O的排放通量，探讨生物炭施用对该系统的温室气体排放、作物产量和综合增温潜势(GWP)的影响。
　　本文包括文献整合分析和田间观测试验的研究。其中模型的文献整合分析包括:(1)通过搜集已有的采用13C或14C同位素标记技术研究生物炭分解的研究数据，整合分析生物炭分解量及分解速率，并评估生物炭施用引起的激发效应;同时讨论生物炭在土壤中稳定性的影响因子和过程。(2)通过整理分析已发表的菜地田间观测N2O排放数据，采用经验模型统计方法估算2009年我国菜地由化学氮肥施用引起的N2O排放的空间分布、总量及背景排放量。
　　田间观测研究包括:(1)通过室外和田间原位盆栽研究不同稻壳生物炭施用水平（分0、25和50 tha-1三个水平）与两个氮肥水平（0和200 kg N ha-1）对稻麦轮作周期内CO2、CH4和N2O排放通量和产量的影响;(2)研究小麦秸秆生物炭(0和30 tha-1)和不同氮肥（常规复合肥，MF;碧晶尿素，CP）施用对集约化蔬菜种植区菜地N2O排放和净生态系统收支的影响;(3)室内培养实验模拟水稻土旱作季节施用稻壳生物炭(50 t ha-1)对三种水稻土N2O和CO2排放的影响。
　　主要结果如下:
　　1.生物炭分解量与试验时间呈对数增长关系。生物炭分解速率随时间延长逐渐降低，且在不同试验观测时间、原材料、热分解温度和土壤粘粒各组间差异显著。易分解和难分解生物炭碳库的平均滞留时间分别为108天和556年，库的大小分别为3％和97％。生物炭施用可以抑制土壤有机质分解(-3.8％，95％ CI=-8.1-0.8％)。显著的负激发效应在试验观测时间少于半年（-8.6％）、作物生物炭（-20.3％）、快速热分解(-18.9％)和低温热分解(-18.5％)的研究中观测到。相反，生物炭施用到砂质土中明显促进土壤有机质分解(20.8％)，表明生物炭促进微生物活动，尤其是在低肥力土壤。而且，讨论生物炭和土壤性质及生物与非生物过程对生物炭分解的影响。
　　2.菜地N2O排放数据整合分析结果表明:季节累积N2O排放总量与总氮肥施用量显著正相关。根据普通最小二乘法模型(OLS)，菜地施肥引起的N2O排放系数和背景排放量分别为0.55±0.05％和1.067±0.277 kgN ha-1yr-1。最大似然法得到可比较的结果，分别为0.49±0.06％和1.228±0.189 kg N ha-1yr-1。根据OLS模型参数结果，2009年我国菜地施肥引起的N2O排放量和背景排放量分别为66.95 Gg N和19.63 GgN。其中，排放量最大的省份主要是山东、河南、河北和四川等四省。本研究估算的N2O排放量约占我国农田总直接N2O排放量的21.4％,但是存在很大的不确定性。
　　3.就累积排放而言，稻壳生物炭施用显著降低60天好气培养实验水稻土N2O排放量为73.1％（51.4-93.5％，P＜0.05-0.01）。生物炭、氮肥和土壤类型的交互作用表明生物炭对N2O排放的影响与土壤类型有关。生物炭施用对水稻土的累积CO2排放没有显著影响。
　　4.稻壳生物炭施用促进水稻生长季CH4排放为37％，但对小麦生长季N2O排放没有影响。生物炭施用显著降低稻季和麦季N2O排放分别为54％和53％，但对该系统的CO2排放没有影响。室内稻田土壤好氧培养实验结果表明在不施氮肥处理，生物炭显著降低土壤N2O排放却增加CO2排放。在施氮时平均所有处理，生物炭施用增加作物生物量和产量，分别增加水稻和小麦产量为12％和17％。
　　5.菜地N2O排放总量为26-28 kg N ha-1。小麦秸秆生物炭施用对累积N2O排放没有显著影响，然而，在低温时期生物炭施用显著减少N2O排放。生物炭施用平均增加土壤有机碳和异养呼吸量分别为61％和19％。在常规复合肥施用处理，生物炭施用对单位产量N2O排放没有显著影响，然而，在碧晶尿素施用处理可以减少15％的单位产量N2O排放但不显著。与无生物炭施用处理相比（-2.2 t Cha-1），生物炭施用显著增加酸性菜地的土壤碳获取，均值为11.1 t C ha-1。
　　全文结论:
　　1.生物炭施用到土壤中，仅有一小部分可以被微生物利用，其余大部分(97％)则直接有利于长期的土壤碳固定。生物炭以百年尺度在土壤中保持且对土壤有机质动态和固碳有正面影响。
　　2.蔬菜种植的施肥引起的N2O排放是我国农田生态系统N2O排放总量的重要源。生物炭施用促进菜地土壤异养呼吸，但对菜地N2O排放的影响受土壤温度和氮素有效性的影响。
　　3.水稻生长季生物炭施用可以促进CH4排放，但是显著降低N2O排放，其对N2O的减排效应与土壤氮素周转有关，也与有无氮肥施用及土壤类型存在交互作用。施肥条件下，生物炭施用可以增加稻麦轮作系统的作物产量。

目录

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图目录

表目录

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究动态

1．2．1 CH4排放过程及其影响因素

1．2．2 N2O产生过程、影响因素及其排放估算

1．2．3 生物炭及其固碳减排作用

1．3 研究目的与研究内容

1．4 研究技术路线图

第二章 材料与方法

2．1 生物炭分解及稳定性的整合分析

2．1．1 数据收集

2．1．2 统计分析

2．2 菜地N2O排放的整合分析

2．2．1 数据搜集

2．2．2 统计分析

2．3 室内培养实验研究生物炭添加对两种稻田土壤N2O和CO2排放的影响

2．3．1 供试土壤和生物炭

2．3．2 土壤好氧培养

2．3．3 样品采集与分析

2．3．4 数据处理

2．4 盆栽试验研究生物炭施用对土壤温室气体排放和作物产量的影响

2．4．1 室外盆栽

2．4．2 田间原位盆栽

2．5 菜地田间试验研究生物炭施用对菜地N2O排放和净生态系统碳收支的影响

2．6 气体样品采集、分析与排放量计算

2．6．1 气体样品采集

2．6．2 气体样品分析

2．6．3 CO2、CH4和N2O排放量计算

2．7 田间及盆栽试验中生物和环境要素记载

2．7．1 生物要素记载

2．7．2 田间管理记载

2．7．3 环境要素记载

第三章 生物炭在土壤中的稳定性及激发效应的整合分析

3．1 材料与方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 生物炭的分解量和分解速率

3．2．2 生物炭引起的激发效应

3．2．3 影响生物炭稳定性的因子和过程

3．2．4 生物炭稳定性对土壤固碳的意义

第四章 中国菜地N2O排放系数和排放量估算

4．1 材料与方法

4．2 结果与分析

4．2．1 控制菜地N2O排放的关键因子

4．2．2 模型分析施肥引起的N2O排放系数和背景排放量

4．2．3 模型优度检验

4．2．4 中国菜地N2O直接排放量估算

4．3 讨论

4．3．1 菜地N2O排放

4．3．2 中国菜地N20排放估算

4．3．3 N2O排放估算的不确定性

4．4 小结

第五章 生物炭施用对水稻土N2O和CO2排放的影响

5．1 材料与方法

5．2 结果分析

5．2．1 两种水稻土N2O排放动态和累积排放量

5．2．2 两种水稻土CO2排放动态和累积排放量

5．2．3 土壤表观净氮矿化、净硝化作用、pH和DOC

5．3 讨论

5．3．1 氮肥和生物炭施用对N2O排放和氮素转化的影响

5．3．2 生物炭和氮肥施用对土壤呼吸和碳固定的影响

5．4 小结

第六章 生物炭施用对土壤温室气体排放和作物产量的影响

6．1 材料与方法

6．2 结果分析

6．2．1 生物炭对土壤CH4、N2O和CO2排放的影响

6．2．2 生物炭对作物产量的影响

6．2．3 生物炭对土壤矿质氮和pH的影响

6．3 讨论

6．3．1 生物炭施用对CH4排放的影响

6．3．2 生物炭施用对N2O排放的影响

6．3．3 生物炭施用对CO2排放的影响

6．3．4 生物炭施用对作物产量的影响

6．4 小结

第七章 生物炭对菜地N2O排放和生态系统净碳收支的影响

7．1 材料与方法

7．2 结果分析

7．2．1 土壤环境和组成

7．2．2 N2O排放和单位产量N2O排放

7．2．3 土壤异养呼吸和NECB

7．3 讨论

7．3．1 菜地N2O排放动态

7．3．2 生物炭施用对N2O排放和单位产量N2O排放的影响

7．3．3 生物炭施用对Rh、NECB和土壤有机碳的影响

7．4 小结

第八章 结论和展望

8．1 研究结论

8．2 研究特色和创新点

8．2．1 研究特色

8．2．2 创新点

8．3 研究的不足之处与展望

参考文献

致谢

作者简历

附录