设施蔬菜地土壤N2O排放通量及其产生途径

摘要

近年来，我国设施蔬菜地种植发展迅速，面积已经达到3.85×106ha。复种指数高、肥料施用量大等管理特点导致设施蔬菜地土壤物理、化学和生物性质发生显著改变，进而影响土壤氮素转化过程以及N2O排放，产生负面环境影响。本文采用静态箱-气相色谱法原位观测了不同施肥处理设施蔬菜地土壤以及大豆地土壤N2O排放通量，明确了其年排放特点。采用15N稳定同位素成对标记方法，研究了土壤氮转化的特点以及N2O产生途径，从氮转化过程角度，阐明了设施蔬菜土壤N2O排放量高的机理，为减少设施蔬菜地土壤N2O排放提供了理论依据。
　　采用静态箱-气相色谱法原位观测了当地农民施肥措施条件下设施蔬菜地土壤以及大豆地土壤N2O的排放通量。研究结果表明，设施蔬菜地和大豆地土壤的N2O季节性排放特征相似。夏季的排放通量较高，而冬季的排放通量低。设施蔬菜地土壤的N2O年累积排放量(有机+无机肥处理:928.5±305mg m-2yr-1，单施无机肥处理:864.7±224mg m-2yr-1)显著高于大豆地土壤的N2O年累积排放量(226.6±41mg m-2yr-1)(P＜0.05)。设施蔬菜地土壤百年尺度全球增温潜势(有机+无机肥处理:8235g CO2 m-2，单施无机肥处理:6821g CO2 m-2)也显著高于大豆地(2216g CO2 m-2)土壤。土壤温度和水分与N2O的排放速率没有显著的相关性。
　　土壤N2O排放量受到产生N2O的氮转化过程的转化速率和氮转化过程中N2O排放比例两个因素共同作用，为了阐明设施蔬菜地土壤N2O排放量高的机理，采用15N稳定同位素成对标记和数值模型的方法测定设施蔬菜地土壤和大豆地土壤主要氮转化过程的初级转化速率。结果表明，设施蔬菜地土壤(有机+无机肥处理:4.37±1.5 mg N kg-1 d-1，单施无机肥处理:3.99±0.15mg N kg-1 d-1)有机氮的初级矿化速率都要显著大于大豆地土壤(1.13±0.24mg N kg-1 d-1)(P＜0.05)，其速率与土壤中的SOC、TN有明显的正相关性(P＜0.05)。有机+无机肥处理的设施蔬菜地土壤(4.92±0.11mg N kg-1 d-1)的初级自养硝化速率要明显高于大豆地土壤(1.77±0.08mg N kg-1 d-1)(P＜0.05)。不同施肥处理的土壤有机氮初级异养硝化速率也有明显的差异，设施蔬菜地土壤(有机+无机肥处理:19.5±7.9mg N kg-1 d-1，单施无机肥处理:4.78±0.74mg N kg-1 d-1)显著大于大豆地(0.009±0.002mg N kg-1d-1)。设施蔬菜地土壤异养硝化速率要远大于自养硝化速率，成为设施蔬菜地NO3-的主要来源，其速率与土壤中的SOC、TN含量有明显的正相关性（P＜0.05）。设施蔬菜地土壤具有明显区别于普通农田土壤的N素转化特点，施肥种类和用量的差异导致土壤碳、氮含量等性质发生改变，进而影响土壤氮转化过程。设施蔬菜地土壤中，与N2O产生有密切关系的土壤有机氮的初级异养硝化过程速率明显地高于大豆地土壤，可能是N2O排放量高的重要原因。
　　为了进一步从氮转化过程角度明确设施蔬菜土壤N2O排放量高的机理，采用15N稳定同位素成对标记和来源分析方法测定设施蔬菜地和大豆地土壤N2O的来源（即来自异养硝化、反硝化和自养硝化过程的N2O的比例）。结果表明，大豆地土壤、有机+无机肥处理和单施无机肥处理的设施蔬菜地土壤中异养硝化、反硝化和自养硝化过程对N2O的贡献比例分别在46.2％～84.0％，8.8％～40.3％，7.2％～13.5％之间。与大豆地土壤(46.2％)相比，设施蔬菜地土壤(66.2％～84.0％)的N2O主要来源于异养硝化过程，异养硝化过程对N2O排放的贡献与有机氮异养硝化速率有显著地正相关关系（P＜0.05）;然而设施蔬菜地土壤异养硝化过程中N2O的排放比例(2.4‰-4.7‰)明显低于大豆地土壤(11.6‰)。设施蔬菜地土壤异养硝化过程是N2O排放的主要来源。因此，施肥种类和用量的差异导致设施蔬菜地土壤具有较大的异养硝化速率，是设施蔬菜地土壤N2O排放量大于普通农田土壤的主要原因。

目录

声明

摘要

引言

第1章 前言

1．1 设施蔬菜地施肥造成的环境效应

1．2 土壤温室气体的排放

1．2．1 设施蔬菜地土壤CO2的排放

1．2．2 设施蔬菜地土壤N2O的排放

1．2．3 设施蔬菜地土壤CH4的排放

1．3 影响设施蔬菜地土壤温室气体产生与排放的因素

1．3．1 土壤温度

1．3．2 施肥量以及施肥方式和肥料种类

1．3．3 土壤水分

1．3．4 土壤pH值

1．3．5 作物类型

1．4 氮素初级转化速率

1．5 N2O的来源途径

1．6 研究目标、内容以及意义

1．6．1 研究目标

1．6．2 研究内容

1．6．3 研究意义

1．6．4 技术路线

第2章 设施蔬菜地温室气体排放及其特点

2．1 研究地点与方法

2．2 数据分析

2．3 结果

2．3．1 土壤理化性质

2．3．2 无机氮的动态变化

2．3．3 CO2气体的排放通量和累积排放量

2．3．4 N2O气体的排放通量和累积排放量

2．3．5 CH4气体的排放通量以及累积排放量

2．4 讨论

2．4．1 温室气体排放通量的计算方法与采样频率

2．4．2 温室气体的排放通量

2．5 结论

第3章 不同施肥处理设施蔬菜地土壤的氮素转化特点

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验方法

3．1．3 测定方法

3．1．4 15N示踪模型

3．1．5 数据分析

3．2 结果

3．2．1 土壤基本理化性质

3．2．2 培养过程中无机氮的浓度与丰度变化

3．2．3 不同处理土壤的N初级转化速率

3．3 讨论

3．4 结论

第4章 设施蔬菜地N2O气体排放来源

4．1 方法与材料

4．1．1 实验材料

4．1．2 试验方法

4．1．3 计算方法

4．2 结果

4．2．1 N2O的排放

4．2．2 N2O的来源以及比例

4．3 讨论

4．3．1 N2O的排放与N转化过程和来源的关系

4．4 结论

第5章 全文结论

5．1 研究结论

5．2 创新之处

5．3 不足及展望

参考文献

个人简介

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢