不同覆盖措施下农田温室气体排放特征与碳足迹

摘要

温室气体(CO2、CH4和N2O)大量排放是全球气候变暖及其引起的一系列环境问题的主要原因.在我国,CO2排放主要由能源活动和工业生产过程产生,二者占CO2排放总量的90.4%.CH4和N2O排放主要来源于农业活动,分别占两者气体全国排放总量的56.6%和73.8%.秸秆覆盖和地膜覆盖作为有效的增温保墒技术,已被广泛应用于我国北方地区.然而,目前的研究主要集中于秸秆覆盖和地膜覆盖对土壤水热及作物产量的影响.秸秆覆盖和地膜覆盖对农田温室气体排放影响的研究较少,且现有研究试验年限较短,缺乏全面的环境效应分析.因此,研究在保证作物生产能力的同时有效减少农田温室气体排放的农田覆盖措施,对于粮食生产和生态环境的可持续性具有重要意义. 本研究于2013-2017年在黄土高原南部陕西杨凌开展大田试验,利用静态暗箱-气象色谱法监测了土壤CO2、CH4和N2O的排放通量.第1部分研究为探讨不同覆膜方式和灌溉对夏玉米农田产量和温室气体排放的影响,选用了2014和2015年夏玉米生长季雨养和灌溉条件下的不覆盖、半膜覆盖和全膜覆盖6个处理,对不同处理下土壤CO2、CH4和N2O排放通量及总量进行分析,并借助碳排放强度(Greenhouse gas emission intensity,GHGI)指标进一步评价了覆膜方式和灌溉对土壤固碳减排效果的影响.第2部分研究是在灌溉条件下连续4年冬小麦-夏玉米轮作试验基础上,利用生命周期评价(Life cycle assessment,LCA)方法和碳足迹(Carbon footprint,CF)指标,研究了秸秆覆盖和地膜覆盖(半膜覆盖、全膜覆盖、垄膜覆盖)对冬小麦-夏玉米种植系统作物产量、生命周期内温室气体排放总量及其碳足迹的影响,并分析了不同覆盖措施下温室排放的组成.本研究的主要研究成果如下: (1)覆膜在夏玉米生长季具有增温保墒作用,作物产量也大幅度提升,且全膜覆盖增产效果优于半膜覆盖,灌溉条件下全膜覆盖增产效果最佳.雨养条件下,覆膜显著增加了玉米生育前期(播后60d)的土壤温度3~8℃,在夏玉米生育后期增温不明显,而灌溉条件下进行地膜覆盖的增温效果不显著.覆膜处理土壤含水率在夏玉米生长季内普遍高于不覆盖处理.在雨养条件下,与不覆盖处理相比,半膜和全膜覆盖在2014年增产作用不明显,而在2015年分别增产19.6%和26.8%;在灌溉条件下,半膜覆盖增产作用不显著,而全膜覆盖在2014和2015年均显著增产14.1%和55.8%. (2)灌溉仅对2015年CO2排放有显著促进作用,覆膜方式对CO2排放没有显著影响.灌溉对CH4吸收没有显著影响,覆膜对CH4吸收具有抑制作用.灌溉对N2O季节排放总量没有显著影响,覆膜通过降低施肥后引起的N2O排放峰从而显著降低季节排放总量.灌溉和地膜覆盖可以通过提高产量从而显著降低GHGI.雨养条件下,与不覆盖相比,半膜覆盖和全膜覆盖的GHGI仅在2015年显著降低,分别达到60.1%和61.7%;灌溉区的半膜覆盖和全膜覆盖相比不覆盖处理,在2014年GHGI分别显著降低了39.7%和53.2%,2015年分别降低了22.2%和67.5%,即全膜覆盖降低GHGI的效果优于半膜覆盖.因此,对夏玉米种植而言,灌溉条件下全膜覆盖能保证作物高产稳产并降低农田碳排放强度. (3)与不覆盖处理相比,秸秆覆盖、半膜覆盖、全膜覆盖和垄作覆膜的年际平均产量分别显著提高了24.3%、7.0%、15.9%和10.0%.冬小麦增产效果在平水年较湿润年更显著.半膜覆盖、全膜覆盖和垄膜覆盖均能显著提高冬小麦平均产量,增产率分别为8.3%、10.9%和12.2%.而对于夏玉米,仅有全膜覆盖能显著增产21.2%.利用生命周期评价方法计算得到各处理生命周期内温室气体排放总量的大小顺序为:全膜覆盖＞垄作覆膜＞半膜覆盖＞秸秆覆盖＞不覆盖.不同农业投入项对生命周期内温室气体排放总量贡献大小顺序为:氮肥＞地膜＞燃料灌溉所需电力＞直接N2O和CH4排放＞磷肥＞种子＞农药.由氮肥的生产和运输产生的温室气体是温室气体排放总量的最大贡献者,不同覆盖措施下占排放总量的41.1~61.7%.在地膜覆盖措施下,地膜的使用是仅次于氮肥施用的温室气体排放总量的第二大贡献者,分别占半膜覆盖、全膜覆盖和垄作覆膜排放量的20.6%、34.4%和25.7%.而农田直接排放的N2O和CH4仅占温室气体排放总量的3.4~11.4%. (4)与不覆盖处理相比,秸秆覆盖能降低冬小麦-夏玉米种植系统的碳足迹,而地膜覆盖下冬小麦-夏玉米的碳足迹升高.半膜覆盖、全膜覆盖和垄膜覆盖的CF显著高于不覆盖,分别高出16.9%、29.2%和21.2%,而秸秆覆盖的CF值相比不覆盖显著降低了15.0%.因此,在我国黄土高原南部地区,为平衡作物生产力和环境可持续发展之间的矛盾,可推广使用秸秆覆盖措施.

目录

论文说明

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第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 秸秆和地膜覆盖对产量的影响

1.2.2 秸秆和地膜覆盖下农田温室气体的排放

1.2.3 覆膜滴灌对农田温室气体排放的影响

1.2.4 生命周期评价及碳足迹

1.2.5 需要进一步研究的问题

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 材料与方法

2.1 田间试验

2.1.1 试验区概况

2.1.2 试验设计

2.1.3 测定项目与方法

2.2 生命周期评价

2.3 数据处理

第三章 覆膜方式和灌溉对夏玉米土壤水热及温室气体排放的影响

3.1 土壤水热变化

3.1.1 土壤水分变化特征

3.1.2 土壤温度变化特征

3.2.1 土壤CO2排放

3.2.2 土壤CH4排放

3.2.3 土壤N2O排放

3.3 讨论

3.3.1 地膜覆盖和灌溉对土壤水热的影响

3.3.2 地膜覆盖和灌溉对土壤CO2排放的影响

3.3.3 地膜覆盖和灌溉对土壤CH4排放的影响

3.3.4 地膜覆盖和灌溉对土壤N2O排放的影响

3.4 小结

第四章 覆膜方式和灌溉对夏玉米产量及农田碳排放强度的影响

4.1 产量

4.2 全球增温潜势GWP和碳排放强度GHGI

4.3 讨论

4.3.1 地膜覆盖和灌溉对玉米产量的影响

4.3.2 地膜覆盖和灌溉对碳排放强度的影响

4.4 小结

第五章 不同覆盖措施下冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期评价

5.1 气候条件分析

5.2 产量

5.3 生命周期内温室气体排放

5.4 碳足迹

5.5 讨论

5.5.1 温室气体排放总量及其贡献者

5.5.2 不同覆盖措施对作物产量的影响

5.5.3 不同覆盖措施对碳足迹的影响

5.6 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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