寒地黑土稻田水肥管理与温室气体排放关系研究

发布时间：2018-02-05 00:45

本文关键词： 黑土稻田水肥模式 CH_4和N_2O 模型模拟减排措施　出处：《东北农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：气候变暖是当今人们普遍关注的全球性环境问题,稻田作为大气重要温室气体CH_4和N_2O的主要排放源而受到各国学者的重视,如何寻求有效的稻田温室气体减排措施,同时保证水稻增产稳产,以及较为准确的估算稻田温室气体的排放量是关乎农业可持续发展的重要课题。本研究以寒地黑土稻田为研究对象,采用大田试验与盆栽试验相结合、模型模拟和理论分析等方法对寒地黑土稻田CH_4和N_2O进行研究与估算。大田试验设置控制灌溉和常规淹灌两个水分处理,四个施肥处理分别为减氮磷钾处理II、减氮磷钾处理I、平衡施肥处理和增氮磷钾处理,对稻田CH_4和N_2O季节排放规律其相关因素进行对比分析,评估不同水肥模式的温室效应和温室气体排放强度,提出寒地黑土稻田温室气体减排的优化水肥模式。在大田试验基础上,盆栽试验采用饱和最优试验设计,建立控制灌溉条件下稻田CH_4和N_2O季节排放量与氮、磷、钾肥以及灌水量(控制灌溉分蘖末期土壤相对含水率下限)的关系模型,分析各水肥因子对控制灌溉条件下稻田CH_4和N_2O排放的影响,并优化稳产下的稻田CH_4和N_2O综合减排的最佳水肥施配方案。采用田间实测数据验证反硝化与降解模型(Denitrification-Decomposition model,DNDC模型)模拟的有效性,以黑龙江省庆安县为例,利用DNDC模型模拟县域稻田CH_4和N_2O的排放总量,并通过敏感性分析研究众多影响因子对稻田CH_4和N_2O排放的贡献,提出了合理可行的减排措施。主要研究结论如下:(1)在水稻全生育期内,控灌不同施肥处理稻田CH_4的季节排放量1.446~3.217g·m-2,与淹灌相应不同施肥处理相比季节排放量减小幅度达49.9%~61.2%。两种不同灌溉模式下,CH_4季节排放量均表现为增氮磷钾处理最大,减氮磷钾II处理减氮磷钾I处理,平衡施肥处理最小。控溉稻田CH_4呈现单峰型季节变化,排放高峰主要集中在分蘖前期和分蘖中期,分蘖期的两个排放高峰分别较淹水灌溉有所提前。淹溉稻田CH_4排放亦呈现单峰型季节变化,排放高峰主要集中在分蘖中期和分蘖末期。(2)在水稻全生育期内,控灌不同施肥处理稻田N_2O的季节排放量43.04~72.37mg·m-2,与淹灌相应不同施肥处理相比季节排放量增加幅度达4.70%~9.02%。控灌和淹灌模式下,N_2O季节排放量均表现为随着施肥量的增加而增大。控灌稻田N_2O呈现多峰型季节变化,排放高峰主要集中在分蘖前期和分蘖末期,在抽开期和乳熟期各有一个小的峰值,其他生育期排放量较低。淹灌稻田N_2O排放亦呈现多峰型季节变化,但排放高峰主要集中在分蘖末期,黄熟期出现另一小高峰,其他生育期排放量极小。(3)CH_4和N_2O的季节排放规律主要受灌水模式控制,施肥量的大小决定了稻田CH_4和N_2O排放峰值的变动和幅度。不同水肥处理下CH_4均是稻田的主要温室气体,当地的温室气体减排措施应该以CH_4为主。综合考虑水稻的产量、综合温室效应和温室气体排放强度三个指标,控制灌溉为温室气体减排的理想灌溉模式,并且控灌模式下的平衡施肥处理的产量最高,综合温室效应和温室气体排放强度最低,因而控灌平衡施肥处理可作为寒地黑土稻田温室气体减排较为理想的水肥管理模式。(4)控制灌溉条件下,氮、磷、钾肥以及灌水量(控制灌溉分蘖末期土壤相对含水率下限值)对稻田CH_4和N_2O季节排放量均有不同程度的影响。氮肥对CH_4季节排放量有明显的抑制作用,但存在着一个最低点,过量的氮肥反而会使CH_4季节排放量增加,氮肥对N_2O季节排放量作用效果整体上表现为明显的促进作用,高水平时更为显著;钾肥和磷肥对CH_4和N_2O季节排放量的影响均不明显,钾肥对CH_4和N_2O季节排放量均表现为低水平抑制,高水平促进;磷肥对CH_4季节排放量表现为低水平抑制,高水平促进,对N_2O表现为促进作用。灌水量中等水平时对CH_4季节排放有很好的抑制作用,但同时对N_2O表现为明显的促进。(5)结合稻田CH_4和N_2O互为消长的排放特点,通过对稻田CH_4和N_2O季节排放量与水肥关系模型寻优,获得在保证产量的同时,实现稻田CH_4季节排放量减少40%~60%,同时稻田N_2O季节排放量增加幅度不超过10%的综合水肥优化施配方案为:N 97.21~105.75kg/hm2,K2O 36.93~63.57 kg/hm2,P2O5 33.11~39.83 kg/hm2,W(控制灌溉分蘖末期土壤相对含水率下限值)69.07%~70.93%。(6)通过对稻田CH_4和N_2O观测结果与模拟结果进行对比验证,表明DNDC模型用于寒地黑土稻田CH_4和N_2O的模拟与估算是可行的。进而模拟估算庆安县稻田CH_4和N_2O排放总量分别为2.74×106kg C和3.16×104kg N。模型进一步模拟了传统模式和优化模式下庆安县稻田CH_4和N_2O季节排放量,优化模式下全县稻田CH_4季节排放量较传统模式减少了55.93%,N_2O季节排放量较传统模式增加24.81%。综合DNDC模拟与稻田CH_4和N_2O的敏感性因子分析结果,提出如下操作可行的寒地黑土稻田温室气体减排措施:稻田实行节水灌溉,重点控制CH_4排放,同时进行合理施肥来兼顾N_2O的排放,使稻田CH_4和N_2O产生的综合温室效应减少,减轻对环境的污染;在减排操作中应尽量控制秸秆还田比例或选择合理的秸秆还田方式。综上所述,控制灌溉模式下的优化水肥方案,在保证产量和节约用水的同时,显著降低了稻田CH_4和N_2O的综合温室效益,可作为稻田温室气体较为理想的减排方法。利用生态模型与传统观测相结合的方法实现不同水肥模式下CH_4和N_2O的模拟,对于面积迅速增加的寒地黑土稻田进行温室气体的区域估算将是有效方法。
[Abstract]:The research and estimation of CH _ 4 and N _ 2O emission in rice field were studied by using field test and pot experiment . ( 2 ) During the whole growth period of rice , the seasonal emission of N _ 2O in paddy field was 43.04 ~ 72.37mg 路 m ~ ( -2 ) . Based on the results of CH _ 4 and N _ 2O season in rice field , it is feasible to calculate CH _ 4 and N _ 2O in rice field . The results show that the CH4 and N2O emission in rice field are 2.74 脳 106 kg / hm ~ 2 , P _ 2O 36.93 ~ 63.57 kg / hm ~ 2 , P _ 2O _ 2 _ 2O 36.93 ~ 63.57 kg / hm ~ 2 , P _ 2O _ 5 33.11 ~ 39.83 kg / hm ~ 2 , W ( control irrigation tillering stage soil relative moisture content lower limit ) .

【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S511;S181

【参考文献】