南方水田土壤有机碳变化特征及保护性耕作增碳效应研究

摘要

随着全球环境变化,尤其是以温室气体升高为起因的变化趋势日益明朗,世界各国学术界和政界对如何减缓全球环境变化趋势给予高度重视。土壤有机碳是大气和陆地生态系统地上部碳储量的2到2.5倍,土壤有机碳动态直接关系到大气CO2浓度的变化,对全球环境变化的作用巨大。 耕作制度是以作物种植和土壤管理为核心的种植技术体系,对农田土壤有机碳的稳定和累积作用显著。越来越多的研究表明,我国近20年来耕作制度演变下农田土壤呈现碳汇效应,尤其是我国南方农区水田土壤碳汇效应尤其突出,固碳潜力大。本文在充分了解南方农区特征的前提下,通过历史数据收集、文献资料查阅、田间试验、农户调查、生产调研等手段,采用多种定量与定性结合的分析方法,重点研究了南方水田土壤有机碳氮特征、人为干扰对水田土壤有机碳的影响、农户行为与土壤碳氮的关系,拟为南方水田土壤增碳保氮提供理论依据、技术途径和相关配套政策建议。主要研究结果如下： 水田土壤有机碳密度可能更多地受生产技术影响,人为调控潜力大。农田耕层土壤有机碳密度介于0.81～12.68kg/m2,平均为3.15kg/m2。农田土壤有机碳密度的变异系数为57％,显著比非农业土壤的变异系数低35个百分点。水田耕层有机碳密度比旱地的平均高13个百分点,但水田有机碳密度的区域变异显著低于旱地。农田土壤有机碳密度与降水和气温的相关性显著低于非农业土壤,农田中水田土壤有机碳密度与降水和气温的相关性又显著小于旱地。 农田土壤有机碳氮之间存在显著的耦合关系,相同氮水平下水田土壤可能储存更多的有机碳。不同种植方式下,水田土壤平均有机碳和全氮含量比旱地分别高47.8％和41.4％,但水田碳氮的区域变异低于旱地。全国土壤有机碳氮在水田和旱地利用下平均分别为10.8和9.9,区域内水田土壤碳氮比普遍高于旱地,其中东北地区水田最高,而华东旱地和西北旱地为最低。区域之间相比,旱地碳氮比的区域变异显著,水田的不显著。 不同类型水田土壤的有机碳氮特征及其关键影响因子差异显著,在增碳保氮技术选择上要充分考虑区域土壤类型差异。潜育型水田土壤有机碳密度最高,比最低的淹育型土壤高75.97％,两者的碳氮比差值为1.31,也达到显著水平。影响土壤有机碳密度关键因子是耕层厚度和土壤全氮含量,除潴育型土壤外,均达到了显著的正相关关系。不同类型土壤碳氮比的关键作用因子不同,其中耕层厚度与所有土壤的碳氮比相关不显著。 有机无机肥配合施用是土壤增碳保氮的关键技术,秸秆还田能提高土壤有机碳密度,但提高幅度有限。无论是双季稻区或单稻区,长期有机无机肥配合施用下,土壤有机碳密度和土壤C/N比均显著提高。近20年来,有机无机肥配合施用与纯化肥区相比,土壤有机碳密度和C/N比在双季稻区分别提高了20.46％和6.43％,但肥力水平较高的单季稻区仅分别提高了3.73％和4.51％。秸秆还田达到一定值后,进一步提高秸秆还田,土壤增碳效应不明显。 保护性耕作技术具有很好的增碳保氮效应,但技术之间的效应差异显著。以长三角区域为例,油菜面积的扩大、小麦的少免耕和作物秸秆的还田分别约增加土壤耕层有机碳0.94 Tg、2.76 Tg和3.95 Tg,其中以麦稻复种转向油稻复种的单位面积碳收集效应为最高。 计量经济模型分析表明,农户生产行为及土地政策对土壤有机碳氮影响显著。农户行为主要与农户的年龄、受教育程度和土地政策相关,不同的农户对于不同土地使用权的土地投入方式不同。而投入的差异,尤其是有机肥投入,显著影响土壤有机碳和氮水平。完善土地使用权,扩大地块规模,可以促进农户采取有利于土壤质量提高的投入增加和技术选择。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章研究背景与目的意义

1 研究背景

1.1研究农业土壤有机碳库的重要意义

1.2耕作制度演变下土壤有机碳库动态

1.3中国耕作制度演变的碳收集效应及其南北格局

1.4技术选择的农户行为及激励机制

2研究目的与意义

3研究内容与方法

3.1研究内容

3.2研究方法

参考文献

第二章 南方农区粮食生产及土壤碳特征

1研究方法

2南方农区概况

2.1耕地面积

2.2人口动态

2.3社会经济

3粮食生产特征

3.1粮食播种面积的区域变化特征

3.2南方粮食总产变化特征

3.3粮食单产的区域变化特征

4农田土壤有机碳动态与粮食产量关系

4.1南方农田土壤有机碳动态——以江苏宜兴为例

4.2农田土壤有机碳与粮食生产力的关系

5主要结论

参考文献

第三章 水田与旱地土壤有机碳的区域差异

1材料与方法

1.1数据来源

1.2有机碳密度计算

2结果与分析

2.1不同土壤有机碳密度特征

2.2土壤有机碳密度的区域差异

2.3有机碳密度与水热因子的相关关系

3讨论

4主要结论

参考文献

第四章 水田与旱地土壤碳氮的耦合差异

1 材料与方法

1.1数据来源

1.2有关参数的计算

2结果与分析

2.1土壤有机碳和全氮含量

2.2土壤有机碳和全氮水平的相关性

2.3土壤有机碳和全氮比值

3主要结论

参考文献

第五章 不同土壤类型南方水田有机碳氮耦合差异及关键影响因子

1材料与方法

1.1数据来源

1.2有关参数的计算

2结果与分析

2.1水田土壤有机碳密度及碳氮耦合差异

2.2水田土壤有机碳密度及碳氮耦合的关键影响因子

3主要结论

参考文献

第六章 不同管理模式下水田土壤碳氮变化特征

1材料与方法

1.1试验区基本情况

1.2小区设计及田间管理

1.3化验分析

2结果与分析

2.1双季稻区土壤有机碳氮变化特征

2.2单季稻区土壤有机碳氮变化特征

3主要结论

参考文献

第七章 南方农田保护性耕作技术增碳效应估算

1研究区域与方法

1.1研究区域

1.2资料与数据来源

1.3基准资料的处理

2结果与分析

2.1耕层土壤有机碳密度

2.2近20多年保护性耕作制度应用面积的动态变化

2.3耕作制度变更下土壤碳收集效应

3主要结论与建议

3.1主要结论

3.2区域土壤碳收集效应的估算方法

3.3促进水田土壤碳收集的政策建议

参考文献

第八章 农户行为对水田土壤碳氮影响的计量经济分析

1 理论分析

1.1农户生产管理行为

1.2土壤质量

1.3作物产量

2研究区域及计量经济模型构建

2.1研究区域

2.2取样和数据收集

2.3变量选择及其统计特征

2.4模型说明与估计方法

3模型估计结果与分析

3.1农户生产经营

3.2土壤质量

3.3水稻产量

4主要结论

参考文献

第九章 主要结论与讨论

1 讨论

1.1水田土壤增碳保氮理论与技术研究

1.2土壤碳收集效应估算的数据与方法

1.3促进我国农田土壤增碳保氮的政策建议

2全文结论

全文参考文献

附件1非农业土壤有机碳密度

致谢

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