模拟酸雨对不同土壤-作物系统温室气体排放的影响

摘要

全球变暖和酸雨污染是当今重要的全球性环境问题，已引起各国政府和国际学术界的广泛关注。全球变暖的主要原因之一是人类影响了生态系统的碳、氮循环，造成大气中温室气体（CO2、CH4、N2O等）浓度不断提高。同时，化石燃料的燃烧过程也向大气排放SO2、NOx，造成酸雨污染。
　　 农田生态系统是人类活动最活跃的系统，在全球变化研究中具有十分重要的地位。酸雨因具有较高浓度的H+、SO42-、NO3－，可通过影响土壤理化性质、农作物的生长和生理过程、土壤微生物群落的组成与活性，对农田温室气体的产生和排放产生影响。定量研究酸雨污染对农田温室气体排放的影响，将为客观评价酸雨污染的生态效应和正确估计农田温室气体排放提供依据。
　　 本研究的目的是：定量研究雨水离子浓度升高和/或pH值降低对不同土壤-作物系统温室气体(CO2、CH4、N2O)排放的影响规律，探讨其影响途径。
　　 本研究盆栽试验用于研究模拟酸雨对土壤-作物系统温室气体排放的影响规律，室内培养试验用于探讨秸秆、土壤水分条件对酸雨作用的影响。盆栽试验选择酸性(pH5.48)(S1)、中性(pH6.70)(S2)、碱性(pH8.18)(S3)水稻土，以我国大面积种植的粮食作物冬小麦、水稻为实验对象，分别设置雨水离子浓度和pH值存在差异的3种模拟雨水(T1(pH6.0)、T2（离子浓度为T12倍，pH6.0）、T3（离子浓度为T12倍，pH4.4）），雨水喷淋量参照南京市1970-2000年30年月平均降水量。盆栽试验时间持续2个冬小麦和2个水稻生长季。土壤-作物系统温室气体排放速率采用静态暗箱-气相色谱技术测定。
　　 室内培养试验Ⅰ选择与盆栽试验相同的3种水稻土（分别设置施用秸秆0、15g·kg-1土处理）在20℃条件下进行40d的培养试验。培养期间分别用pH值存在差异的3种模拟雨水(TC1(pH6.0)、TC2(pH4.5)、TC3(pH3.0))将土壤含水量调为400 g·kg-1土。室内培养试验Ⅱ只选择了中性土壤S2（分别设置施用秸秆0、15g·kg-1土处理），室温条件下进行51d的培养试验。培养期间分别用模拟雨水CR1（离子浓度为T22倍，pH5.6）、CR2（离子浓度为CR12倍，pH5.6）、CR3(离子浓度同CR1, pH3.5)，将土壤含水量分别设置为400 g·kg-1土和淹水条件。种子培养试验雨水设置同盆栽试验，25℃条件下黑暗培养。
　　 主要结果如下：
　　 1.小麦生长期，酸雨显著促进了碱性土壤-小麦系统暗呼吸和N2O排放，S3T3组平均暗呼吸速率分别比S3T1组和S3T2组高23.6％、27.6％，S3T3组N2O平均排放速率比S3T2组高25.6％(p＜0.05)（2005～2006年）；酸雨虽然未对中性土壤和酸性土壤-小麦系统平均暗呼吸速率和N2O平均排放速率产生显著影响(p＞0.05)，但在小麦幼苗、拔节、灌浆等时期，也对温室气体排放产生了显著影响。
　　 2.水稻生长期，由于2006年和2007年田间秸秆填埋的差异，2年间酸雨对土壤-水稻系统温室气体排放的影响有所不同。
　　 2.1仅雨水pH值的降低并未对土壤-水稻系统平均暗呼吸速率产生显著影响；雨水离子浓度升高后可显著提高酸性土壤-水稻系统平均暗呼吸速率；当雨水离子浓度升高的同时pH值降低后，中性土壤－水稻系统2006年平均暗呼吸速率和碱性土壤-水稻系统2007年平均暗呼吸速率显著下降，但中性土壤-水稻系统2007年平均暗呼吸速率显著上升。具体的变化程度为：S1T2组2007年的平均暗呼吸速率比S1T1组高8.1％，S2T3组2006年平均暗呼吸速率比S2T1组降低21.4％，S3T3组2007年的平均暗呼吸速率比S3T1组低7.3％;S2T3组2007年的平均暗呼吸速率比S2T1组高7.9％(p＜0.05)。2.2高离子浓度雨水对CH4排放有促进作用，低pH值雨水对CH4排放排有抑制作用。S1T2组CH4累积排放量比S1T1组高85.6％,S2T2组CH4累积排放量比S2T1组高19.2％,但未达到显著水平；S1T3组CH4累积排放量比S1T2组低51.5％,S2T3组CH4累积排放量比S2T2组低31.4％(p＜0.05)，但仅中性土壤－作物系统达到显著水平。
　　 2.3仅雨水pH值降低对土壤-水稻系统N2O累积排放无显著影响(p＞0.05)。雨水离子浓度升高抑制了酸性土壤-水稻系统和中性土壤-水稻系统N2O排放。雨水离子浓度升高同时降低pH值后，抑制了中性土壤－水稻N2O排放。具体的影响程度如下：S1T2组2006年N2O累积排放量比S1T1组低16.6％(p:=0.039)，S2T2组2007年累积排放量比S2T1组低56.4％（p=0.019），S2T3组2007年累积排放量比S2T1组低71.9％（p=0.047）。
　　 3.通过室内培养试验证实，酸雨通过影响秸秆的分解过程对土壤系统温室气体排放产生影响。秸秆填埋是2006年和2007年间盆栽试验土壤-水稻系统结果差异的主要原因，同时土壤水分条件也发挥了重要影响。
　　 3.1低pH值雨水未显著影响土壤有机碳分解，但显著地影响了土壤中作物秸秆的分解与N2O的产生与排放，从而对土壤系统CO2、N2O排放产生影响：酸雨促进了酸性和碱性水稻土中秸秆的分解，pH3.0酸雨处理下秸秆在酸性土壤和碱性土壤中40 d分解总量比pH6.0雨水处理下的分解总量高8％；酸雨抑制了中性水稻土中秸秆的分解，pH3.0酸雨处理下秸秆40 d分解总量比pH6.0雨水处理低15％。酸雨显著促进了酸性土壤对照组N2O排放，S1TC3CK组N2O累积排放量比S1TC1CK组高51.3％(p＜0.05)。随着雨水pH值的降低，秸秆对土壤系统N2O排放的抑制作用增强，导致3种土壤秸秆组N2O排放量的差距随着雨水pH值的降低而缩小。
　　 3.2雨水离子浓度增加或pH值降低，未对中性土壤对照组或秸秆组CH4、N2O51d累积排放量产生显著影响，高离子浓度雨水可减少淹水处理的土壤对照组CO2排放，CR2CKF组CO2-C累积排放量比CR1CKF低26.1％(p＜0.05)。雨水差异对秸秆的分解差生了显著影响：淹水状态下，高离子浓度雨水与低pH值雨水均促进了中性土壤中秸秆的分解，秸秆分解总量在CR2F组、CR3F组中分别比在CR1F中高16.1％(p＜0.01),2.6％(p＜0.01)；非淹水状态下，高离子浓度雨水和低pH值雨水均抑制了中性土壤中秸秆的分解，秸秆分解总量在CR2D组、CR3D组中分别比在CR1D中低5.3％(p＜0.05)，8.1％(p=0.111).
　　 综上所述，酸雨未改变土壤-作物系统温室气体排放的季节动态特征。在作物的不同生育期，酸雨对不同土壤-作物系统温室气体排放的影响并不相同。酸雨并未改变作物收割后农田系统温室气体排放。小麦生长期，碱性土壤-作物系统较酸性土壤和中性土壤-作物系统易受酸雨的影响；水稻生长期，N2O、CH4排放在酸性土壤-作物系统与中性土壤-作物系统中比其在碱性土壤-作物系统中更易受酸雨的影响。酸雨主要通过提高作物生长过程的能耗，改变土壤中秸秆的分解速率、作物秸秆与土壤的C/N，提高秸秆木质素含量、降低秸秆纤维素含量等途径对农田温室气体排放产生影响。同时，在酸雨的影响过程中，土壤pH值、土壤水分条件发挥了重要作用。

目录

文摘

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图表目录

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2 农田温室气体排放的研究进展

1.2.1 农田CO2排放的研究进展

1.2.2 农田CH4排放的研究进展

1.2.3 农田N2O排放的研究进展

1.3 酸雨对农田系统影响的研究进展

1.4 问题的提出

1.5 研究目的、研究内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

第二章 材料与方法

2.1 盆栽试验

2.1.1 试验材料

2.1.2 试验地点

2.1.3 试验设计与管理

2.1.4 气样的采集、分析与通量的计算

2.1.5 相关指标的测定

2.2 室内试验Ⅰ

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验方案

2.2.3 气体排放速率测定

2.3 室内试验Ⅱ

2.3.1 试验材料

2.3.2 试验方案

2.3.3 气体排放速率测定

2.4 种子培养试验

2.4.1 试验材料

2.4.2 试验方案

2.4.3 指标测定

2.5 研究技术路线

2.6 统计分析

第三章 模拟酸雨对土壤－冬小麦系统暗呼吸和N2O排放的影响

3.1 酸雨对土壤－冬小麦系统暗呼吸的影响

3.1.1 土壤-冬小麦系统暗呼吸速率

3.1.2 小麦收割后土壤系统暗呼吸速率

3.1.3 酸雨对土壤-冬小麦系统暗呼吸影响的因素分析

3.1.4 土壤pH值对土壤－冬小麦系统暗呼吸的影响

3.2 酸雨对土壤-冬小麦系统N2O排放的影响

3.2.1 土壤-冬小麦系统N2O排放速率

3.2.2 小麦收割后土壤系统N2O排放速率

3.2.3 酸雨对土壤－冬小麦系统N2O排放影响的因素分析

3.2.4 土壤pH值对土壤－冬小麦系统N2O排放的影响

3.3 酸雨对小麦的影响

3.3.1 酸雨对小麦生长的影响

3.3.2 酸雨对小麦秸秆物质含量的影响

3.4 小结

第四章 模拟酸雨对土壤-水稻系统暗呼吸、CH4和N2O排放的影响

4.1 酸雨对土壤－水稻系统暗呼吸的影响

4.1.1 土壤-水稻系统暗呼吸速率

4.1.2 水稻收割后土壤系统暗呼吸速率

4.1.3 烤田期土壤-水稻系统暗呼吸速率

4.1.4 酸雨对土壤-水稻系统暗呼吸的影响因素分析

4.1.5 土壤pH值对土壤-水稻系统暗呼吸的影响

4.2 酸雨对土壤－水稻系统CH4排放的影响

4.2.1 土壤-水稻系统CH4排放速率

4.2.2 水稻收割后土壤系统CH4排放速率

4.2.3 酸雨对土壤-水稻系统CH4排放的影响因素分析

4.2.4 土壤pH值对土壤-水稻系统CH4排放的影响

4.3 酸雨对土壤－水稻系统N2O排放的影响

4.3.1 土壤-水稻系统N2O排放速率

4.3.2 水稻收割后土壤系统N2O排放速率

4.3.3 酸雨对土壤－水稻系统N2O排放的影响因素分析

4.3.4 土壤pH值对土壤-水稻系统N2O排放的影响

4.4 酸雨对水稻的影响

4.4.1 酸雨对水稻种子萌发的影响

4.4.2 酸雨对水稻幼苗根系活力的影响

4.4.3 酸雨对水稻产量的影响

4.4.4 酸雨对水稻秸秆物质含量的影响

4.5 酸雨对土壤理化性质的影响

4.5.1 土壤pH值

4.5.2 土壤有机碳、全氮含量和C/N

4.5.3 土壤溶解性碳含量

4.5.4 土壤交换性盐基总量和阳离子交换量

4.6 小结

第五章 雨水pH值降低对土壤系统温室气体排放的影响

5.1 雨水pH值降低对不同土壤系统CO2排放的影响

5.1.1 CO2排放速率

5.1.2 CO2排放影响因素分析

5.1.3 水稻土中秸秆和有机碳矿化

5.2 雨水pH值降低对不同土壤系统N2O排放的影响

5.2.1 N2O排放速率

5.2.2 N2O排放影响因素分析

5.2.3 N2O累积排放

5.3 秸秆填埋试验

5.4 小结

第六章 酸雨对土壤系统温室气体排放的影响因素研究

6.1 土壤系统CO2排放

6.1.1 CO2排放速率

6.1.2 CO2排放影响因素分析

6.2 土壤系统N2O排放

6.2.1 N2O排放速率

6.2.2 N2O排放影响因素分析

6.3 土壤系统CH4排放

6.3.1 CH4排放速率

6.3.2 CH4排放影响因素分析

6.4 淹水状态下秸秆分解总量

6.5 小结

第七章 全文讨论

7.1 酸雨影响土壤－作物系统温室气体排放的途径

7.1.1 影响暗呼吸的主要途径

7.1.2 影响N2O排放的主要途径

7.1.3 影响CH4排放的主要途径

7.2 不同作物种植期间酸雨影响的差异

7.2.1 暗呼吸的差异

7.2.2 N2O排放的差异

7.3 土壤酸碱性的影响

第八章 结论与研究展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 存在的问题

8.4 展望

参考文献

博士期间发表的论文

致谢