不同管理措施对棉田氨气、温室气体排放及土壤有机碳固定的影响研究

发布时间：2018-04-27 18:21

  本文选题：温室气体 + 缓释尿素　； 参考：《西北农林科技大学》2017年博士论文

【摘要】：农业生产中,化肥施用所产生的温室气体(CO2、CH4、N2O)和氨气(NH3)等的排放问题现已成为世界各国研究的热点问题之一。为减少农业生产中温室气体排放、提高化肥利用效率,各国科学家所推荐的诸如缓释型肥料施用、肥料配施抑制剂等措施在小麦、玉米、水稻等作物生产中效果明显,但关于此类措施对棉田土壤温室气体排放的作用、棉花产量的影响等方面的研究并不多见。棉花做为世界重要的经济作物种植面积达巨大,2016年统计结果显示世界棉花种植面积已达3120万公顷,棉花生产中化肥施用所产生的环境问题不容忽视。另外农业土壤作为全球重要的碳库,其碳循环过程和碳平衡直接影响着全球CO2排放总量。农业生产过程中作物轮作制度、氮肥施用及绿肥作物种植等措施都能够直接影响土壤有机碳输入,并且通过影响土壤最基本结构—团聚体的形成、团聚体对有机碳的物理保护及有机碳的化学转化从而影响土壤有机碳的固定及温室气体排放。由于棉花的巨大经济价值,通常为提高棉花生产利润率而采取棉花连作的种植制度,因此导致有关美国南部传统棉花产区作物轮作、绿肥种植和氮肥施用条件对于棉花产量及棉田土壤碳循环影响的研究少之又少。本研究选择了两处位于美国国土南部亚热带气候条件下传统棉花生产区内的棉花田地作为试验研究对象,研究缓释尿素、尿素配施脲酶抑制剂NBPT及硝化抑制剂DCD等五种不同施肥措施对于棉花种植中温室气体及NH3排放、棉花产量以及土壤微生物群落结构等的影响进行了研究,并且研究了在长期试验体系中作物轮作、冬季绿肥覆盖及氮肥施用等农业管理措施对于棉田土壤有机碳含量、土壤团聚体、有机碳组分的化学转化过程,揭示棉花种植过程中这些人为管理措施对土壤有机碳固定的作用机制,并在此基础上为未来棉花产业选择适宜的、能够减少温室气体排放的环境友好型肥料以及合理的、能够提高土壤碳库水平、增强土壤固碳效应的农业管理措施提供科学依据。本研究于2013和2014年两茬棉花种植季节,对五种不同施肥处理条件下:空白对照(Check无施肥)、尿素(Urea)、缓释尿素(Coated Urea,ESN)、尿素与脲酶抑制剂n-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)混施(Urea+NBPT)和尿素与硝化抑制剂双氰胺(DCD)混施(Urea+DCD),利用静态暗箱-气相色谱法对棉田土壤CO2、CH4、N2O排放进行监测,并同时监测NH3的排放并对棉花产量、全球增温潜势等进行统计,同时使用磷脂脂肪酸(PLFA)法对棉田土壤微生物群落结构进行了测定。主要结果如下:1.不同施肥处理对于NH3及温室气体排放的影响2013和2014两个棉花生长季中各施肥处理中的nh3和n2o排放规律相似,各施肥处理中主要的nh3和n2o排放高峰均出现在现施肥后的4天左右,并于40天后基本回落至背景值水平。n2o排放所损失的n含量显著多于nh3排放所损失的n量,尿素、缓释尿素、尿素与nbpt混施、尿素与dcd混施处理的平均nh3排放因子与平均n2o的排放因子分别为:1.9%、1.0%、0.2%、0.8%和8.3%、3.4%、3.9%、1.0%。与普通尿素处理相比,脲酶抑制剂nbpt抑制nh3-n排放的作用最为显著,在两个生长季中其抑制效率分别达52%和62%;硝化抑制剂dcd抑制n2o-n排放作用最为明显,两年平均抑制效率达到75%;缓释尿素和脲酶抑制剂nbpt对于n2o-n排放的抑制作用同样很显著,试验期间平均抑制效率都达到了52%。不同施肥处理对于棉田土壤co2-c排放总量并无显著影响。关于棉田土壤ch4-c排放,除2014棉花生长季普通尿素处理相比空白处理显著增加了3.4倍外,其他施肥处理的ch4-c排放均与空白处理无明显差异。2.不同施肥处理对棉花产量、综合增温潜势及温室气体排放强度的影响2013年缓释型尿素(esn)处理显著提高棉花产量,与普通尿素处理相比籽棉和皮棉产量分别增加了15.4%和10%。但在2014年多雨气候条件下,相比普通尿素处理,缓释尿素处理籽棉和皮棉产量分别下降了18%和14%。与普通尿素处理相比,脲酶抑制剂nbpt与硝化抑制剂dcd的施用在2013和2014年棉花生长季均未对棉花产量产生促进作用,相反两年间这两个处理的籽棉产量分别平均降低了8%和12%。对于2013年棉花生长季,与空白处理(check)相比,普通尿素处理(urea)、缓释尿素处理(coatedurea)和施加脲酶抑制剂的处理(urea+nbpt)中ch4和n2o的综合增温潜势(gwp)分别增加了144倍、26.6倍和122倍,而施加硝化抑制剂的处理(urea+dcd)与对照相比没有显著性的差异。但是对于2014年棉花生长季,处理urea的综合增温潜势相比空白处理显著增加了4.5倍,其他处理并无显著性的差异(p0.05)。2013年温室气体排放强度(ghgi)呈现出处理ureaurea+nbptcoatedureaurea+dcd处理check的趋势,相比空白处理,处理urea、coatedurea、urea+nbpt和urea+dcd的温室气体排放强度分别增加了76倍、31倍、71倍和9倍。2014年生长季中各处理的温室气体排放强度间差异并不显著。3.不同施肥处理对土壤中微生物种群的影响除处理urea+nbpt外,其他施肥处理均能够促进土壤中微生物的生长繁殖,相比空白对照处理,处理urea、处理coatedurea、处理urea+dcd土壤微生物生物量分别增加了15.7%、14.9%和35.2%。与空白处理相比,处理urea对于土壤中细菌种群数量的增加作用最为显著,可达30.5%,而缓释尿素、配施nbpt和配施dcd的处理中细菌种群数量分别只增加了16%、15.4%和17.9%。与对照处理相比,除处理urea+dcd之外其他处理中革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值(g+/g-)差异明显。处理urea和处理urea+nbpt中革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值(g+/g-)均明显小于对照处理,分别下降了17%和36.7%。各处理中只有处理coatedurea的革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值(g+/g-)比对照处理(check)显著增加了50%。各处理中只有处理urea+nbpt对于土壤中真菌种群数量的增加有显著作用,相比对照处理增加了89%(p0.05)。相比对照处理,处理urea的细菌/真菌比值显著增高,而处理coatedurea和处理urea+nbpt的细菌/真菌比均出现显著降低,处理urea+dcd中细菌/真菌比并未表现出显著差异。处理coatedurea、处理urea+nbpt和处理urea+dcd中表征胁迫效应的环丙脂肪酸/前体物比值(cyc/precursor)均显著低于对照处理和处理urea,数值上分别比对照处理降低了35.3%、42.2%和58.8%。各施肥处理对于土壤中放线菌种群数量的影响均不显著。在长期试验体系中,本文研究了五种农业管理措施:棉花连作+无氮肥施入(c)、棉花连作+冬季覆盖作物+无氮肥施入(c+wl)、棉花连作+硝酸铵肥料(c+n)、棉花-玉米轮作+冬季覆盖作物+无氮肥施入(c-c+wl)和棉花-玉米轮作+冬季覆盖+氮肥施用(c-c+wl+n)对棉田土壤有机碳团聚体的物理保护、有机碳形态及有机碳分子结构转化的影响,结果表明:1.长期农田管理措施对棉田原状土中不同形态有机碳含量的影响长期的作物轮作、冬季绿肥及氮肥施用措施对于棉田土壤有机碳(soc)、土壤总氮(tn)和酸解性有机碳(hc)均有显著促进作用。相比处理c,处理c+wl、处理c-c+wl、处理c-c+wl+n和处理c+n的soc含量分别增加了83%、164%、149%和87%(p0.01);这些处理的tn含量分别增加了120%、223%、199%和99%(p0.01);各处理的hc含量增加更加显著,增加量分别达到了153%、315%、300%和146%(p0.05)。而各处理中除了处理c+n的doc含量与处理c相比显著增加了37.2%外,其他处理的doc含量均与处理c无显著差异(p0.05)。2.长期农田管理措施对棉田土壤团聚体分布及团聚体中各形态碳含量的影响各处理对250-2000μm粒径的大团聚体(m)组分的形成均有促进作用。相比处理c,其他处理对于大团聚体组分的增加分别达到了37.3%、156%、86.8%和29%,而对于粒径为53~250μm的微团聚体(m)的形成影响均不显著;在粒径53μm的粉粘粒(s+c)级别,只有处理c+n的粉粘粒组分含量相比处理c有显著的增加,达到68.2%。与处理c相比,各处理在250-2000μm的大团聚体粒径级别下的土壤有机碳含量差异最为显著。在250-2000μm粒径级别中,处理c-c+wl的有机碳含量相比处理c增加最为明显,达到311%,而处理c+wl、处理c-c+wl+n和处理c+n的soc含量均分别增加了175%、298%和153%。而该粒径级别下除处理c-c+wl的土壤全氮(tn)含量与处理c有显著差异外(增加了133.4%),其他处理之间土壤全氮含量并无明显差异。在53~250μm粒径级别,只有处理c-c+wl和处理c-c+wl+n相比处理c的土壤有机碳含量增加了2.95倍和2.36倍(p0.05)。该粒径级别下,除处理c-c+wl和处理c-c+wl+n的tn含量相比处理c显著增加了2倍和1.5倍外,其他处理的tn含量均与处理c无明显差异(p0.05)。在粒径53μm的粉粘粒级别下,各处理之间土壤有机碳含量差异并不显著(p0.05),对于土壤总氮含量,处理c-c+wl、处理c-c+wl+n和处理c的土壤总氮含量相比分别显著增加了1.3倍和1.1倍,而处理c+wl和处理c+n的tn含量相比处理c并没有显著增加(p0.05)。各处理的doc含量在不同粒径大小级别下均未表现出显著差异。在250-2000μm和53-250μm粒径级别中,处理c+wl、c-c+wl和c-c+wl+n均显著增加了土壤hc含量。而在53μm的粉粘粒级别中,相比处理c其他处理均显著增加了土壤hc含量。处理c有机碳含量分别在大团聚体级别、微团聚体级别和粉黏粒级别所占总有机碳含量的比例为15.6%、18.7%和65.4%。在250-2000μm粒径级别,其他处理的有机碳含量比例相比处理c均显著增加了87.8%、94%、84.6%和69.2%(p0.05)。在53-250μm的微团聚体m级别中,相比处理c中有机碳含量比例(18.7%),处理c+wl、处理c-c+wl和处理c-c+wl+n的soc含量比例分别显著增加了43.3%、86.6%和54.5%。而在粒径小于53μm的粉粘粒(s+c)级别,各处理中有机碳含量比例均显著小于处理c,各处理soc占比均下降了21.3%-47%。可见作物轮作制度、绿肥植物种植和氮肥施用措施均能影响土壤有机碳在不同粒径级别土壤团聚体中的积累,这些措施主要增加了在大团聚体(m)和微团聚体(m)中土壤有机碳的积累,而对于粉粘粒(s+c)中的有机碳积累并无促进作用3.长期农田管理措施对棉田土壤有机碳化学分子结构的影响根据热裂解气相色谱质谱分析(py-gc/ms)得出结果,作物轮作、冬季绿肥覆盖和氮肥等措施的施用直接改变了各裂解产物在原状土壤中的分布。与处理c相比,氮肥施用向土壤中引入了以苯、甲苯、乙苯等6种芳香族化合物、以呋喃等为主的3种多糖类化合物、3种含氮化合物以及5种脂肪族化合物,共14种不同化合物。可见氮肥施用主要增加了芳香族和包括短链脂肪族化合物和长链脂肪族化合物的输入,这些脂肪族化合物均来自于施肥导致的植物生物量和土壤微生物量的增加。冬季绿肥作物覆盖则相比处理c增加了多达22种化合物,分别来源于脂肪族化合物、芳香族化合物、含氮化合物、多糖类化合物、苯酚类化合物及木质素类化合物。该处理中同时检测出的吡啶和甲苯化合物能够证实其来源于微生物源的输入,即证明了豆科绿肥作物向土壤中引入了根瘤菌并促进了土壤中其他微生物生物量的增加,而长链脂肪族化合物的存在则证明了豆科植物通过固氮作用增加了植物生物量,进而增加了土壤中植物残体的输入。各处理中,处理c-c+wl和c-c+wl+n所检测出的化合物种类最多达37种,但处理c-c+wl+n中的n肥施用并未向土壤中引入新的化合物。试验中作物轮作制、冬季绿肥植物覆盖和氮肥施用均能够向土壤有机碳贡献不同化合物,特别是高等植物源的有机物质和微生物源的脂肪族化合物等均有助于促进土壤有机碳的积累并提高棉田生态系统固碳效率。综上所述,在美国南部棉花传统产区中,缓释尿素、脲酶抑制剂NBPT及硝化抑制剂DCD等不同施肥方式均可有效的减少棉花种植过程中的氨气和温室气体排放,并能在一定程度上提高作物产量。而作物轮作制度、冬季绿肥种植和氮肥配施措施也被证实能够有效改变土壤有机碳分子结构、促进土壤团聚体形成的,有助于增加棉田土壤碳固定。因此在棉花种植过程中,缓释尿素、脲酶抑制剂NBPT及硝化抑制剂DCD的施用搭配长期的作物轮作制度与冬季绿肥种植等措施,将会有效提高土壤碳汇能力,并且有助于在棉花种植过程中实现固碳减排的目标。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S562
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本文编号：1811798