双季稻田转菜地对生态系统碳平衡和温室气体排放的影响研究

发布时间：2020-04-13 04:07

【摘要】：近年来,随着人们生活水平的不断提高,蔬菜在我国居民食物中的占比越来越高。随着蔬菜需求量逐渐增加,大量的稻田被转变为蔬菜种植,并已成为了一种常见的农业土地利用转变方式。稻田转菜地虽然提升了经济效益,但同时也带来了一系列的生态环境问题。菜地具有复种指数高、施氮量大和灌溉频繁等特点。这些管理措施对土壤肥力、有机碳矿化和温室气体排放等方面都具有十分重要的影响。然而,稻田转为菜地如何影响生态系统碳平衡和温室气体排放?特别是这种影响在稻田转为菜地后的不同时间阶段是否存在差异,目前并不是很清楚。为此,有必要研究稻田转为菜地后生态系统碳平衡和温室气体排放特征及其演变过程,全面深入理解农业土地利用方式转变所引起的环境问题,为实现农业可持续发展和减缓温室气体排放等相关政策的制定提供理论依据和有效的农田管理措施。本研究在位于湖南省长沙县的中国科学院长沙农业环境观测研究站选取了6块长期种植水稻的双季稻田(早稻-晚稻-休闲),随机选取其中的3块水稻田排水落干,并将其转化为菜地,剩余的3块稻田作为对照继续种植双季稻。每块稻田和菜地一分为二,设置两种施氮肥处理:不施加氮肥和常规施氮肥处理,每个处理设置3个重复。对稻田和由稻田转变的菜地的生态系统碳平衡(NECB)相关指标、土壤温室气体(CO_2,CH_4和N_2O)排放、土壤可溶性有机碳(DOC)、铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)和相关环境因子连续监测4年。得出的主要研究结果如下:1.稻田转菜地显著提高了土壤有机碳矿化的温度敏感性,加速了土壤有机碳矿化过程。与稻田生态系统相比,稻田转为蔬菜种植后碳输入量减少了44%-52%,土壤有机碳矿化量增加了46%-59%,引起了大量的土壤碳损失(2.6-4.5 Mg C ha~(-1)yr~(-1))。土壤碳损失量在稻田转为蔬菜种植的第1年最大,后续3年逐年降低。氮肥施加促使稻田由弱的碳源变为碳汇,同时也减缓了稻田转为蔬菜种植引起的土壤碳损失强度。2.稻田CH_4排放有明显的季节性变化规律:水稻生长季CH_4排放通量高,休闲季CH_4排放通量低。水稻生长季CH_4排放量占全年总CH_4排放量的94%-99%。土壤NH_4~+-N、温度和水分含量是稻田CH_4排放季节性变化的关键驱动因子,在整个观测期可以解释稻田CH_4排放通量季节性变化的70%。净初级生产力是控制稻田CH_4排放年际变化的关键因子:水稻净初级生产力越高,稻田年CH_4的排放量越大。3.稻田转菜地显著降低了CH_4排放,降低量为稻田CH_4排放量的96%-97%。稻田转菜地对CH_4排放的影响具有时间滞后效应:菜地第1年的CH_4排放强度显著高于后续3年。氮肥施加对稻田和菜地的CH_4排放无显著影响。4.稻田转为蔬菜种植引起了大量的N_2O排放,特别是在转变的第1年。菜地N_2O排放的年际变化和蔬菜净初级生产力的年际变化密切相关。菜地N_2O排放主要集中在夏季土壤温度高于20℃的时段。而在此时间段内,土壤硝态氮和含水率是控制菜地N_2O排放的关键因子,反硝化过程是菜地N_2O产生的主要途径。在4年观测期间,菜地N_2O排放通量和土壤异养呼吸速率呈现显著正相关关系。而且,菜地土壤异养呼吸对其N_2O排放通量变化的影响在第1年高于后续3年。这些研究结果表明稻田转为蔬菜种植后,特别是在转变初期,有机质矿化过程对菜地N_2O排放有重要贡献。因此,需要重新评估农业土壤N_2O排放因子,慎重考虑土地利用方式转变过程中土壤有机质矿化对N_2O排放的贡献。5.在100年尺度CO_2当量下,稻田转为蔬菜种植的第1年,增加的土壤碳损失量和N_2O排放量高于减少的CH_4排放量,导致菜地的综合增温潜势相对于稻田增加了116%-395%。然而,稻田转为蔬菜种植的第2-4年,减少的CH_4排放量完全抵消了增加的土壤碳损失和N_2O排放量,使菜地的综合增温潜势和稻田相比无显著差异。氮肥施加显著增加了CH_4对稻田综合增温潜势的贡献率,但对稻田的综合增温潜势的影响不显著。稻田转为蔬菜种植的第1年,氮肥施加引起的菜地N_2O排放的增加量高于菜地土壤碳损失的减少量,从而增强了综合增温潜势对稻田转菜地的响应。以上这些研究结果表明稻田转菜地对综合增温潜势的影响主要集中在该土地利用方式转变的第1年。综上所述,稻田转为蔬菜种植引起了大量的土壤碳损失,碳损失强度逐年减弱。氮肥施加缓解了稻田转菜地引起的土壤碳损失量。稻田转菜地显著增强了N_2O排放,降低了CH_4排放,同时增强了菜地第1年的综合增温潜势。稻田CH_4和菜地N_2O排放的年际变化和生态系统净初级生产力的变化密切相关。土壤有机质矿化过程对菜地N_2O排放有重要贡献。这些研究结果表明在评价土地利用方式转变所引起的环境效应时,应该关注转变初始阶段的生态系统碳平衡和温室气体排放特征,及时采取有效的固碳减排措施,缓解土地利用方式转变引起的土壤碳损失和温室气体排放,实现环境友好型农业可持续生产。
【图文】：

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华中农业大学 2018 届博士研究生学位论文表 1-1 大气中主要温室气体及其特征le 1-1 The main greenhouse gases and their properties in the atmosphere (IPCC大气中浓度(ppmv) 增长率平均寿命 GWP100a辐射1750 年 2011 年 (%) (年) (CO2当量) (W2280 391 40 1 1.3340.715 1.803 152 12.4 28 0.74 0.270 0.324 20 121 265 0.13度全球增温潜势

温室气体排放,碳平衡,概念图,水稻

口以水稻为主食。2016 年全球水稻种植面积为 165 Mha，主要分布在亚洲（143.4Mha），其次是非洲（10.5 Mha）和美洲（7.2 Mha）(FAO 2017)。中国是全球最大的水稻生产国和消费国，水稻种植面积达 30Mha，占全国总耕地面积的 23%，水稻年产量占世界总产量的 35%，中国有超过 60%的居民以稻米为主食(FAO 2017)。由于水稻生长需要消耗大量的水资源，，我国的水稻种植主要分布在长江流域和淮河流域。这些地区降雨量充沛，气温高，日照时间长，适合水稻生长，因此有早稻-晚稻-休闲、水稻-绿肥轮作、水稻-小麦轮作和水稻-油菜轮作等种植模式(周炜等 2017)。稻田是重要的温室气体排放源，研究表明我国稻田 CH4排放强度为 4.8 Tg CH4-C yr-1，N2O 排放强度为 114.5 Gg N2O-N yr-1(Zhang et al. 2014, Weller et al. 2016, Zhang et al.2016a)。近年来，随着社会经济的发展，人们生活水平的提高和膳食结构的变化，越来越多的农业生产者为了追求较高的经济效益，将部分水稻田排水落干，转变为玉米、水果和蔬菜等旱地作物种植(Hao et al. 2008, Lu et al. 2010, Kraus et al. 2016)。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S181

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