秸秆炭化还田对稻田土壤氨挥发的影响及其机理研究

摘要

土壤氨挥发是稻田氮素损失的最主要形式之一，它不仅导致直接的氮肥损失，而且还造成严重的环境污染。尽管秸秆直接还田在提高水稻产量、改良土壤等方面具有良好效果，然而研究发现，秸秆还田会显著地促进稻田土壤氨挥发。作为环境友好新材料，生物质炭具有诸多影响土壤氮素循环的特性，可能在稻田氨挥发控制方面发挥重要作用。若将秸秆制备成生物质炭还田，在保证水稻保产增产，土壤改良的同时降低稻田氨挥发，则对实现秸秆资源化利用，保障全球粮食安全等都具有重要现实意义。然而，有关秸秆生物质炭对稻田土壤氨挥发控制作用的研究尚未见系统报道。本文通过大田试验，分析比较了水稻秸秆直接还田和秸秆生物质炭化还田对水稻生长状况、水稻产量、稻田田面水和土壤的理化性质以及土壤微生物的影响，旨在揭示水稻秸秆生物质炭化还田对稻田土壤氨挥发控制效应及其机理。主要研究结果如下:
　　(1)通过大田试验，对比分析了水稻秸秆和不同剂量的秸秆生物质炭对水稻生长状况和产量的影响。结果发现，与常规施肥相比，秸秆生物质炭还田能显著促进水稻生长，提高水稻产量。生物质炭对水稻生长和产量的促进作用，随着水稻的增长和生物质炭添加量的增加而强化。与对照相比，高剂量和低剂量生物质炭还田能分别使水稻增产16.5％和8.0％，总体效果优于秸秆直接还田。
　　(2)通过磷酸-甘油吸收法，探究水稻秸秆和秸秆生物质炭对稻田土壤氨挥发的影响。结果发现，与秸秆直接还田对稻田氨挥发的促进作用相反，秸秆炭化还田能显著控制稻田氨挥发，延迟基肥期和第一次追肥期氨挥发峰值的产生，降低全过程氨挥发速率，削减20％以上的稻田土壤累积氨挥发量。然而，高剂量和低剂量生物质炭还田在稻田土壤氨挥发的减排效果方面并未发现存在显著性差异。
　　(3)利用微生物分子生物学与微结构分析等技术，通过综合测定分析田面水、土壤、微生物、植物等多个方面的指标，初步探究了生物质炭对稻田土壤氨挥发的减排机理。分析发现，生物质炭对稻田土壤氨挥发的减排效应的潜在机理可以归纳为以下几个方面:
　　①生物质炭具有较高的稳定性，能较好的避免秸秆降解对稻田土壤氨挥发的促进作用;
　　②生物质炭对氮素物质具有较强的吸附持留能力，能实现对肥料的缓释作用，促进水稻对氮素物质的吸收利用;
　　③生物质炭化还田可显著提高稻田土壤AOA和AOB的基因丰度，促进氨氧化过程，从而降低了土壤和田面水氨氮浓度，减少稻田氨挥发，提高氮素利用水平。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 稻田土壤氨挥发研究进展

1．2．1 稻田土壤氨挥发损失严重

1．2．2 稻田土壤氨挥发机理及控制措施

1．3 秸秆直接还田对氨挥发的影响

1．3．1 我国秸秆资源与利用现状

1．3．2 秸秆直接还田对稻田氨挥发的影响及机理

1．4 生物质炭化还田对稻田氨挥发控制的潜在作用

1．4．1 生物质炭的基本理化性质

1．4．2 生物质炭对水稻生长的影响

1．4．3 生物质炭对土壤氨挥发的影响

1．5 研究意义、研究目标和研究内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究目标

1．5．3 研究内容

第二章 材料与方法

2．1 实验设计和田间管理

2．1．1 试验田概况和实验材料

2．1．2 实验设计和田间管理

2．2 样品采集

2．2．1 水稻样品采集

2．2．2 氨挥发样品采集

2．2．3 稻田土壤和田面水样品采集

2．3 测定指标与方法

2．3．1 水稻生物指标的测定

2．3．2 稻田土壤氨挥发的测定

2．3．3 稻田土壤和田面水理化指标的测定

2．3．4 稻田土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌基因拷贝数测定

2．4 数据分析

第三章 结果与讨论

3．1 秸秆生物质炭化还田对水稻生长和产量的影响

3．1．1 水稻秸秆生物质炭添加对水稻生长的影响

3．1．2 水稻秸秆生物质炭添加对水稻产量的影响

3．2 秸秆生物质炭化还田对稻田土壤氨挥发效应的影响

3．2．1 水稻秸秆生物质炭添加对稻田土壤氨挥发速率的影响

3．2．2 水稻秸秆生物质炭添加对稻田土壤累积氨挥发量的影响

3．3 水稻秸秆生物质炭添加对稻田氮肥利用的影响

3．4 秸秆生物质炭化还田对稻田土壤和田面水理化特性的影响

3．4．1 水稻秸秆生物质炭添加对稻田田面水理化指标的影响

3．4．2 水稻秸秆生物质炭添加对稻田土壤理化指标的影响

3．5 秸秆生物质炭化还田对稻田土壤氨氧化微生物的影响

3．6 水稻秸秆生物质炭添加对稻田土壤氨挥发影响机理分析

第四章 结论与展望

4．1 研究结论

4．2 研究创新点

4．3 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的文章、专利及奖励