秸秆生物质炭对农田温室气体排放及作物生产力的效应研究

摘要

中国政府于2009年提出到2020年，全国单位国内生产总值二氧化碳(CO2)排放比2005年下降40％～50％的目标。农田生态系统在全球大气温室气体收支中起着十分重要的角色。农业土壤固碳作为《京都议定书》认可的固碳措施之一，在一系列固碳减排的措施中处于重要的地位，其对稳定生产力和减缓气候变化具有双赢的积极效应。近5年来，关于农田废弃物转化为生物质炭而作为农业增汇减排以及提高作物生产力的一种有效途径的研究迅猛发展。但是，生物质炭的影响程度和持续性与作物类型，土壤性质，气候条件以及制备生物质炭的原料有关。
　　 本文分别于2009年和2010年以江苏稻田和河南旱地为研究对象，探讨研究生物质炭中国农田应用的可行性。主要是以小麦热裂解生物质炭为材料，研究了不同用量的生物质炭和氮肥配施对太湖地区水稻土(Cd/Pb污染和不污染)和黄淮海平原黄潮土的土壤性质和作物产量、土壤和生态系统温室气体(CO2，CH4和N2O)排放的影响。分析了生物质炭农业应用的碳强度变化及其年际变化，提出和构建生物质炭农田固碳减排计量方法框架和核心技术，以期为农业废弃物资源化利用和生物质炭的固碳减排效应提供理论支撑。主要结果如下:
　　 一，生物质炭对太湖地区稻田当季土壤甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)排放和水稻产量的影响
　　 (1)生物质炭施用显著改善土壤性质和养分含量。在不施氮肥的情况下，生物质炭用量为40 t ha-1时，增加了土壤pH(H2O)值，但在施氮肥的情况下，各处理之间没有显著性差异。用量为20 t ha-1和40 t ha-1时，在不施和配施氮肥的情况下，土壤有机碳(SOC)分别增加了17％和57％，27％和55％。生物质炭的施用增加了热水浸提态有机碳(HWEC)的含量;但是对土壤易氧化态有机碳(LOC)含量没有影响(p＞0.05）。不同用量的生物质炭施用下，土壤全氮（TN)增加了23％～39％;土壤容重由不施生物质炭处理的1.01 g cm-3降低到用量为40t ha-1处理的0.89 g cm-3。
　　 (2)生物质炭施用显著增产和提高氮肥农学效率(AEN)，降低土壤N2O排放，但增加土壤CH4排放。在不施与配施氮肥的情况下，生物质炭用量为10 t ha-1，20 t ha-1和40t ha-1处理，水稻产量与对照相比分别增加了10％～14％与9％～12％。同时提高了氮肥的农学效率(由对照的1.40 kg(kg N)-1，分别增加到10 t ha-1，20 t ha-1和40 t ha-1处理下的3.54 kg(kg N)-1，4.08 kg(kg N)-1和4.43 kg(kg N)-1)。在施氮肥的情况下，施用生物质炭降低了40％～58％的土壤N2O季节排放总量;然而，不施氮肥时这种效应不明显(p＞0.05）。生物质炭施周降低了由氮肥导致的N2O直接排放系数(EF);但是增加了土壤CH4的季节排放总量，不施和配施氮肥的处理下，CH4的季节排放总量与对照相比分别增加了64％～173％和54％～153％;生物质炭用量为20 t ha-1时，不论是否施用氮肥，土壤CH4的季节排放总量最高。
　　 (3)生物质炭施用并不显著提高水稻生产的温室气体排放强度(GHGI)。生物质炭施用量为20t ha-1的处理提高了100年时间尺度下CH4和N2O的全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度。但是，用量为10 t ha-1和40 t ha-1的处理，无论是否配施氮肥，稻田CH4和N2O的全球增温潜势和温室气体排放强度与对照相比没有显著性差异(p＞0.05)。
　　 二，生物质炭施用对次年水稻生长季土壤性质、水稻产量和温室气体排放的影响
　　 (1)改善土壤性质和水稻产量的持续效应。生物质炭施用量为20 t ha-1和40 t ha-1时，与对照相比土壤pH(H2O)分别增加了0.24和0.36;土壤有机碳分别增加了23％和54％;土壤全氮分别增加了9.1％和15％;热水浸提态有机碳含量分别增加了60％和51％;但是对土壤易氧化态碳没有显著性的影响(p＞0.05);土壤容重分别降低了8.5％和6.4％。与对照相比，用量为10 t ha-1，20 t ha-1和40 t ha-1的生物质炭处理下，水稻产量增加了9.2％～28％。
　　 (2)降低次年稻田土壤CO2、CH4和N2O的温室气体排放强度。施用量为10 tha-1、20 t ha-1和40tha-1的生物质炭对稻田土壤呼吸没有显著性的影响(p＞0.05）;但是土壤N2O的季节排放总量分别降低了31％、44％和56％;而用量为20 t ha-1和40 t ha-1的处理下，土壤CH4的季节排放总量分别增加了54％和38％;并且第二年CH4的季节排放总量低于试验第一年的。综合效应是，施用量为20 t ha-1处理的生物质炭增加了第一年土壤CO2、CH4和N2O的全球增温潜势和温室气体排放强度，而其它处理下没有显著性的差异;但均降低了第二年土壤CO2、CH4和N2O的全球增温潜势和温室气体排放强度。10 t ha-1的处理下可以获得较高的水稻产量以及较低的碳排放强度。
　　 (3)与移栽稻田相比，直播稻田降低了土壤CH4的季节排放总量;但是增加了土壤N2O的季节排放总量。综合效应是，直播稻田降低了土壤CH4和N2O的全球增温潜势。
　　 三，生物质炭施用减低了次年稻麦轮作生态系统-大气CO2年际的净交换(NEE)
　　 (1)增加了稻麦生态系统净初级生产力(NPP)。10 t ha-1的处理下，水稻和小麦的产量和生物量最高。与对照相比，水稻的产量和生物量分别增加了27.6％和28.7％;小麦的产量扣生物量分别增加了29.1％和24.9％。
　　 (2)土壤CO2和生态系统CH4和N2O的年际排放总量。生物质炭施用对水稻/小麦轮作土壤CO2和生态系统CH4的年际排放总量没有显著性差异。用量为20 t ha-1和40 t ha-1处理下，与对照相比，稻麦轮作生态系统N2O的年际排放总量分别降低了39％和41％;而10 t ha-1处理下则没有显著性的变化(p＞0.05）。
　　 (3)生态系统的综合增温潜势。生物质炭施用降低了稻麦轮作生态系统年际的净交换。用量为10 t ha-1、20 t ha-1和40 t ha-1的处理下，与对照相比NEE分别降低了54％、24％和45％; GWP分别降低了68％、38％和67％; GHGI分别降低了31％、22％和34％。
　　 四，生物质炭的施用对Cd/Pb污染稻田土壤和生态系统温室气体排放的影响
　　 (1)改善土壤性质并降低Cd/Pb的有效性。与对照相比，用量为40 t ha-1的处理增加土壤pH(H2O)和有机碳;但降低了土壤容重;DTPA浸提态的Cd和Pb的含量分别降低了25.3％、21.3％和48.7％;11.9％、17.3％和23.6％;而对于CaCl2浸提态的Pb含量各处理之间没有显著性差异(p＞0.05);但是施用量为20 t ha-1和40 t ha-1时，CaCl2浸提态Cd的含量分别降低了43.5％和40.0％。
　　 (2)生物质炭施用降低了Cd/Pb污染土壤呼吸，提高了Cd/Pb污染稻田的碳汇。用量为10t ha-1、20t ha-1和40t ha-1时，土壤和生态系统N2O的季节排放总量分别降低了34％～48％和11％～50％;土壤CH4的季节排放总量分别增加了30％～49％;用量为40t ha-1时，生态系统CH4的季节排放总量增加了31％，而其它处理与对照相比没有显著性的差异。生物质炭施用量为20 t ha-1和40 t ha-1的处理下，与对照相比土壤CO2的季节排放总量分别降低了16％和24％。但生物质炭的施用略增加了生态系统CO2的季节排放总量。综合效应是:生物质炭施用提高了Cd/Pb污染稻田生态系统碳汇，用量为20 t ha-1和40 t ha-1处理下，与对照相比，生态系统的全球增温潜势分别降低了54％和63％。而用量为10 t ha-1处理下，生态系统的全球增温潜势与对照相比则没有显著性差异(p＞0.05)。
　　 五，生物质炭的施用对低肥力旱地玉米产量和土壤温室气体排放的影响
　　 (1)改善土壤基本性质，提高玉米产量。生物质炭的施用增加了土壤有机碳，全氮含量;降低了土壤容重;但是对土壤pH(H2O)值，矿质态氮（氨氮和硝氮）含量没有影响;不施和配施氮肥的情况下，用量为20 t ha-1和40 t ha-1时，有机碳分别增加了44.0％、57.8％和25.0％、42.2％。不施氮肥的情况下，与对照相比，土壤全氮分别增加了24.1％和31.0％;但是在施肥的情况下，各处理之间没有显著性的差异。不施和配施氮肥的情况下，玉米产量分别增加了15.8％、7.3％和18.2％、11.6％。生物质炭施用增加了玉米氮肥的农学效率，由对照的1.25 kg(kg N)-1提高到用量为20 t ha-1时的1.97 kg(kg N)-1和40 t ha-1时的2.28 kg(kg N)-1。
　　 (2)生物质炭施用大幅度降低旱地土壤N2O排放，并降低了土壤CH4和N2O的全球增温潜势和温室气体排放强度。生物质炭的施用对土壤CO2排放没有影响，氮肥的施用降低了旱地土壤CO2的排放。用量为20 t ha-1和40 t ha-1在配施氮肥的情况下，土壤N2O的季节排放总量分别降低了10.7％和41.8％;而不施氮肥的情况下各处理之间没有显著性的差异。并降低了由氮肥导致的N2O直接排放系数。但是增加了土壤CH4的季节排放总量。综合效应是:在配施氮肥的情况下，CH4和N2O的全球增温潜势和温室气体排放强度分别降低了9.8％、41.5％和23.8％、47.6％。而不施肥的情况下，各处理之间没有显著性的差异(p＞0.05）。
　　 六，秸秆生物质炭农业应用的固碳减排计量方法学探讨
　　 基于河南三利新能源有限公司生物质炭的生产工艺，评价秸秆燃烧（基线）和转化生物质炭以及农业应用（项目）整个系统全生命周期的温室气体排放量和碳汇清除量。而文献和田间试验结果中的非CO2温室气体的排放作为计量过程中的系数，有关田间试验过程中非CO2的温室气体的排放考虑了不同土壤类型和农田管理方式的差异（水田和旱地），以及生物质炭施用对稻田土壤CH4和N2O排放的长期效应。采用本方法学，对已经进行的秸秆生物质炭的生产和农田施用的总效应初步估计为每吨秸秆转化生物质炭产生的净碳汇为249 kg CO2-Ce t-1～398 kg CO2-Ce t-1。可以看出秸秆生物质炭具有显著的固碳减排效果。

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摘要

缩略语一览表

第一章 文献综述

1．1 农业温室气体排放与农田固碳减排

1．2 农田温室气体

1．2．1 农田CO2产生及其排放

1．2．2 农田CH4产生及其排放

1．2．3 农田N2O产生及其排放

1．3 农田土壤固碳对温室气体排放的影响

1．3．1 秸秆还田对温室气体排放的影响

1．3．2 氮肥施用对温室气体排放的影响

1．3．3 灌溉对温室气体排放的影响

1．3．4 耕作强度对温室气体排放的影响

1．3．5 施用有机肥料对温室气体排放的影响

1．4 农业废弃物与生物质炭转化

1．4．1 生物质炭的性质与稳定性

1．4．2 生物质炭施用对土壤理化性质的影响

1．4．3 生物质炭施用对作物产量的影响

1．4．4 生物质炭施用对农田温室气体排放的影响

1．4．5 生物质炭对重金属污染土壤碳氮循环的影响

1．5 存在的科学问题

1．6 研究内容与技术路线

第二章 生物质炭对稻田当季水稻产量、土壤甲烷和氧化亚氮排放的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 研究区概况

2．2．2 供试材料

2．2．3 试验设计

2．2．4 温室气体监测

2．2．5 土壤样品的采集与分析

2．2．6 有关参数的计算方法

2．2．7 数据处理

2．3 结果

2．3．1 土壤理化性质和水稻产量

2．3．2 CH4和N2O的排放

2．4 讨论

2．4．1 对水稻产量的影响

2．4．2 对CH4和N2O排放的影响

2．5 本章小结

第三章 生物质炭施用对次年水稻生长季土壤性质、产量和温室气体排放的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 研究区概况

3．2．2 供试材料

3．2．3 试验设计

3．2．4 温室气体监测

3．2．5 土壤样品的采集与分析

3．2．6 有关参数的计算方法

3．2．7 数据处理

3．3 结果

3．3．1 土壤理化性质和水稻产量

3．3．2 温室气体排放

3．3．3 CO2、CH4和N2O的综合增温潜势和碳排放强度

3．4 讨论

3．4．1 对水稻产量和温室气体排放效应的持续性

3．4．2 土壤理化性质、作物产量和温室气体排放与生物质炭用量的关系

3．5 本章小结

第四章 生物质炭的施用对次年稻麦轮作生态系统-大气温室气体净交换的影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 研究区概况

4．2．2 供试材料

4．2．3 试验设计

4．2．4 生态系统CH4和N2O排放的监测

4．2．5 有关参数的计算方法

4．3 结果

4．3．1 水稻和小麦的产量和生物量

4．3．2 不同生育期温室气体排放

4．3．3 生态系统-大气净交换及其综合增温潜势

4．4 讨论

4．4．1 对水稻、小麦产量和生物量的影响

4．4．2 对年际生态系统净交换及综合增温潜势的影响

4．5 本章小结

第五章 生物质炭施用对Cd／Pb污染稻田土壤和生态系统温室气体排放的影响

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 研究区概况

5．2．2 供试材料

5．2．3 试验设计

5．2．4 土壤和生态系统温室气体监测

5．2．5 土壤样品的采集与分析

5．2．6 有关参数的计算方法

5．2．7 数据的处理

5．3 结果

5．3．1 土壤理化性质

5．3．2 土壤和生态系统温室气体排放

5．3．3 生态系统净碳汇

5．4 讨论

5．4．1 对土壤和生态系统温室气体排放的影响

5．4．2 Cd／Pb污染和不污染稻田温室气体排放的差异

5．5 本章小结

第六章 生物质炭的施用对旱地玉米产量及土壤温室气体排放的影响

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 研究区概况

6．2．2 供试材料

6．2．3 试验设计

6．2．4 温室气体监测

6．2．5 土壤样品的采集与分析

6．2．6 有关参数的计算方法

6．2．7 数据处理

6．3 结果

6．3．1 土壤理化性质和玉米的产量

6．3．2 温室气体排放

6．3．3 CH4和N2O的综合增温潜势及其排放强度

6．4 讨论

6．4．1 对玉米产量的影响

6．4．2 对CO2、CH4和N2O排放的影响

6．5 本章小结

第七章 秸秆生物质炭农业应用的固碳减排计量方法学探讨

7．1 引言

7．2 方法学原理

7．2．1 计量关键环节

7．2．2 基线(baseline)设定探讨

7．2．3 边界与泄露的认定

7．3 温室气体计算方法及参数的选择

7．3．1 生物质炭生产的基本情况

7．3．2 基线情景温室气体排放量的估算

7．3．3 项目活动过程中能源替代排放与温室气体减排的估算

7．4 计量不确定性问题

7．4．1 秸秆露天焚烧排放因子的不确定性

7．4．2 施用生物质炭对土壤CH4和N2O排放量影响的不确定性

7．4．3 项目边界的不确定性

7．5 本章小结

第八章 全文讨论、结论与研究展望

8．1 全文讨论

8．1．1 生物质炭施用对作物产量的影响

8．1．2 生物质炭农田施用的“激发效应”问题

8．1．3 生物质炭对土壤理化性质、作物产量和温室气体效应的持续性

8．1．4 生物质炭施用对农田生态系统汇源效应的影响

8．2 主要结论

8．3 创新点

8．3 不足之处和研究展望

8．3．1 不足之处

8．3．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间(待)发表论文和专利