基于模拟试验研究侵蚀-沉积区土壤温室气体排放与玉米产量差异及机理

摘要

侵蚀-沉积引起的土壤重新分布是地表物质重要运动过程，在生物地球化学、生态环境演变、地貌形态演变等方面产生重要影响。研究侵蚀-沉积对土地生产力、温室气体效应和土壤质量改变的影响，并探讨施肥方式对侵蚀-沉积土壤的修复效应，对综合评价侵蚀的经济和生态效应具有重要意义。 由于自然侵蚀-沉积条件下作物产量和土壤理化性状变化缓慢，表层土壤的剥离、添加成为研究侵蚀-沉积效应的重要方法。本论文依托美国俄亥俄州立大学设立的表层20cm土壤剥离-添加试验模拟侵蚀-沉积的长期效应，围绕作物产量(玉米，Zea mays L.)、土壤温室气体(CO2, N2O, CH4)排放以及土壤理化性状变化，开展以下四个方面研究：1)表层土剥离-添加对土壤生产力的影响；2) 表层土剥离-添加对温室气体排放的影响；3)表层土剥离-添加对土壤物理性状的影响；4) 施肥方式对剥离-添加区土壤的修复效果。主要结果如下： 1)土壤侵蚀-沉积影响玉米生物量及产量。模拟侵蚀-沉积发生15年之后，土壤侵蚀区玉米地上部分生物量、地下部分生物量及产量相比原状土分别降低了47%，57%和51%，而沉积区则分别升高了40%，51%，47%。土壤侵蚀区和沉积区平均玉米产量相比原状土降低了2%。 2)土壤侵蚀-沉积影响温室气体排放。模拟侵蚀-沉积发生15年之后，土壤侵蚀区CO2和 N2O 排放相比原状土无显著变化，CH4吸收显著减少了 87%；土壤沉积区 CO2和N2O排放则分别显著降低了43%和22%，CH4吸收显著减少了28%。土壤侵蚀区升温潜力值（GWP）相比原状土略有降低；土壤沉积区则升高了 42%。土壤侵蚀区温室气体排放强度（GHGI）相比原状土升高了104%；而沉积区GHGI则降低了60%。土壤侵蚀区和沉积区平均GWP值比对照降低了21%，但是GHGI值升高了22%。 3)土壤侵蚀-沉积影响土壤理化性质。模拟侵蚀-沉积发生15年之后，土壤侵蚀区和沉积区碳氮分布在剖面分布上呈现不同的变化趋势。土壤侵蚀区0?40 cm土层土壤有机碳库和全氮库相比原状土分别降低了49%和34%；土壤沉积区则分别降低了10%和4%。相应地，土壤侵蚀区0?40 cm土层土壤容重相比原状土升高，有效水含量降低；而土壤沉积区则相反。土壤侵蚀区团聚体平均几何直径(GMD)，平均重量直径(MWD)和 > 0.25mm水稳性团聚体总量相比原状土分别显著降低了8%，17%和3%；而沉积区则分别显著降低了34%，53%和6%。 4)作物产量和温室气体排放对有机肥的响应在侵蚀区和沉积区不同。连续施用有机肥15年后，与施用无机肥相比，土壤侵蚀区玉米产量降低了18%，同时全球升温潜力值(GWP)降低了18%，温室气体排放强度(GHGI)降低了3%；土壤沉积区15年长期施用有机肥玉米产量相比施用无机肥上升了 45%，但同时全球升温潜力值(GWP)升高了142%，温室气体排放强度(GHGI)提高了 68%。长期施用有机肥对土壤侵蚀区和沉积区肥力修复作用大于无机肥，且在侵蚀区表现更显著。长期施用有机肥增加了表层土壤侵蚀区和沉积区粒径>4.7 mm土壤团聚体，降低了粒径范围4.7-0.25mm土壤团聚体。 本文通过模拟方式首次评价了侵蚀-沉积区三种温室气体(CO2、N2O、CH4)的排放变化，并同时研究土地生产力变化特征，为综合评估土壤侵蚀-沉积的温室气体排放以及粮食生产提供科学依据。

目录

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第一章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 土壤侵蚀-沉积的方式

1.3 侵蚀-沉积的环境效应

1.4 侵蚀-沉积区土壤的施肥管理

1.5 侵蚀-沉积的研究方法

1.6 目前研究不足

第二章 研究区概况、研究内容和技术路线

2.1 研究区概况及试验设计

2.2 研究目标与内容

2.3 监测指标与方法

2.4 数据计算

2.5技术路线

第三章 侵蚀-沉积区土壤生产力差异及机理

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.3 数据分析

3.4 结果

3.5讨论

3.6 结论

第四章 侵蚀-沉积区土壤温室气体排放差异及机理

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.3 数据分析

4.4 结果

4.5讨论

4.6总结

第五章 侵蚀-沉积区土壤理化性状差异及机理

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.3 数据分析

5.4 结果

5.5 讨论

5.6 小结

第六章 施用有机肥对侵蚀-沉积区不同的培肥效果

6.1 前言

6.2 结果与讨论

6.3 总结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结果

7.2 主要创新性

7.3 不足与展望

参考文献

致谢

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