东北寒地稻作水氮互作的温室气体排放特征研究

发布时间：2017-12-25 23:23

本文关键词：东北寒地稻作水氮互作的温室气体排放特征研究　出处：《东北农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：稻田是农业温室气体排放的主要来源,在全球温室效应中起着很大作用。东北寒地稻作区冬季寒冷漫长、农田土壤有机质相对较高、水肥管理模式等方面都与南方水稻区有较大的差异。因此,有必要对东北寒地稻田CO_2、CH_4和N_2O排放进行试验研究,为精确估算中国稻田土壤排放的CO_2、CH_4和N_2O总量提供科学依据。本试验利用田间试验和室内分析相结合的研究方法,设置控制灌溉、间歇灌溉及淹灌3种水分管理模式及4个供氮水平(0、75、105、135 kghm-2),以龙庆稻2号为材料,以不同水氮管理模式下的温室气体排放实际监测数据为基础,探讨稻田CO_2、CH_4和N_2O排放规律,阐明稻田环境因子变化及与温室气体排放之间的关系,分析水稻生长变化对CO_2、CH_4和N_2O温室气体排放的影响机理,初步明确提升水稻水氮利用效率,减少总体增温潜势的环境友好型节水灌溉施肥模式。主要研究结果如下:(1)无论哪种水氮管理模式,CH_4排放通量的峰值均出现在分蘖期、拔孕期和抽开期三个阶段;控制灌溉处理和间歇灌溉处理的CH_4排放通量变化幅度均小于淹灌模式;在水稻生育前期及后期CH_4排放通量很小,返青期及收获期后没有检测出CH_4排放通量。在控制灌溉和间歇灌溉模式下,各处理的CH_4的累积排放量变化较小;淹灌模式下各处理的CH_4的累积排放量差异显著(p0.05),变化幅度在284.34~419.27 kghm-2;相同肥力水平下,淹灌处理的CH_4的累积排放量均高于控制灌溉和间歇灌溉处理。CH_4的季节累积排放量与土壤p H之间相关性较小,除了淹灌状态下不施肥处理的CH_4通量与土壤p H值呈现显著相关,其他处理相关关系不显著;除了C1N1、C1N3、C1N4三个处理的CH_4排放通量与土壤硝态氮含量无显著相关关系,其余9个处理的CH_4通量与土壤NH4+-N含量具有显著或极显著相关性。稻田CH_4排放与环境因子关系密切,受气象因素影响较强,日均温较高的时段也是CH_4排放最为集中的时段;CH_4排放与土壤Eh呈极显著负相关关系,与5cm深土壤温度及稻田水层深度均呈极显著相关关系。(2)水稻生长季内N_2O排放的高峰均出现在分蘖、晒田~拔节孕穗期两个阶段,而返青~分蘖初期及后期晒田阶段的排放量相对较低;在水稻生育阶段前期,各处理N_2O排放都处于较低水平,泡田期几乎无N_2O排放;穗肥施用后N_2O排放略有增加;从分蘖期开始,N_2O排放均有小幅上升,并在晒田之后的复水期又迅速上升至最高峰。控制灌溉与间歇模式下各处理的N_2O季节累积排放量明显高于淹灌模式下各处理;C2N1处理的全生育期N_2O累积排放量最大,为0.41 kghm-2;C3N2和C3N4处理的全生育期N_2O累积排放量最小,为0.14 kghm-2。间歇灌溉模式增加了稻田N_2O的排放;水分管理及氮肥用量分别对水稻生长季节N_2O排放平均通量和季节累积排放量影响极显著(p0.01)。气温升高,N_2O排放呈上升趋势;不同水肥处理的稻田N_2O排放通量通量与土壤NH4+-N含量、NO3--N含量之间没有发现明显的相关性;C1N2处理的N_2O通量与土壤p H值呈现显著负相关,C3N1处理的N_2O通量与土壤p H值显著正相关,其他处理均无相关性;N_2O排放与土壤EH呈极显著负相关关系,与5cm深土壤温度呈极显著相关关系,与水层深度间的相关关系未达到显著性水平。(3)稻田CO_2排放通量在分蘖期与拔节孕穗期出现排放高峰,而在其他生育阶段排放较小,在水稻收获期有小幅上升。水分管理模式对水稻全生育期CO_2通量均值及累计排放量没有产生规律性的影响;相同的施肥水平下,控制灌溉及间歇灌溉模式下的CO_2累积排放量相对淹灌状态有所下降;水分管理和氮肥用量两因素对水稻生长季节CO_2排放平均通量和季节累积排放量均具有交互作用。气象因子也是影响稻田CO_2排放的重要因素。各处理土壤铵态氮含量与CO_2排放通量之间没有明显的相关性,除C1N2处理的CO_2排放通量与土壤铵态氮含量呈现显著性差异(p0.05),其他处理无相关关系。各处理土壤硝态氮含量与CO_2排放通量之间也没有明显的相关性,控制灌溉条件下各处理土壤硝态氮含量与CO_2排放通量之间呈正相关关系,间歇灌溉模式和淹灌模式下呈负相关关系,但均没有达到显著性水平。控制灌溉条件下,不同处理CO_2排放通量与土壤p H呈负相关关系,其中C1N1处理达到极显著水平(p0.01),C1N2处理达到显著水平(p0.05)。CO_2排放通量与5cm深土壤温度呈极显著相关关系,与水层深度相关性不大。受水稻生物因素影响较强,与水稻地上部分生物量呈极显著相关性。(4)节水灌溉模式配合氮肥施用能显著增加水稻产量,单从灌溉模式来看,对水稻产量的影响不显著。控制灌溉模式下,高施氮量处理(C1N1)比不施氮处理平均增产62.9%,中施氮量处理(C1N2)比不施氮处理平均增产64.7%;间歇灌溉模式下,高施氮量也具有明显的增产优势。淹灌模式下,氮肥施用量增加,增产幅度在51.2~61.5%之间。水肥互作主要通过影响有效穗数来影响产量。灌溉模式相同,氮肥施用量的增加,既促进水稻籽粒形成,同时也增加了水稻秸秆的产量,使总的生物产量增加。(5)不同水氮处理单位产量CO_2排放量变化没有发现规律性特征;相同灌溉模式下,随施肥量的增加,单位产量CH_4排放量均呈现下降的趋势;淹灌模式下的单位产量CH_4排放量相比控制灌溉模式和间歇灌溉模式下的有所增加,最大值出现在C3N4处理,为48.66g·kg-1。不同水氮处理单位产量N_2O排放量没有表现出较大差异性,而灌溉模式对单位产量N_2O排放量产生一定影响。(6)水氮互作对水稻水氮利用效率产生一定影响。在氮肥用量相同时,水分利用效率从高到低依次为:控制灌溉间歇灌溉淹灌;相同水分管理条件下水稻水分利用效率随着氮肥施用量的增加呈上升的趋势;在一定范围内,氮肥施用量增加,水分利用效率提升,但当氮肥用量到一定水平后,不再提高产量和水分利用效率。同一灌溉模式下,施肥量的变化对水稻氮肥利用率影响较大;水氮因素对水稻的氮肥生理利用率的影响没有发现明显的规律性特征;水稻农学利用效率的变化特征与氮肥利用率的特征相似;相同灌溉模式下,氮肥用量的增加,水稻的氮肥偏生产力呈现降低的趋势。水分管理和氮肥用量两因素对水稻氮素利用率各项指标均具有交互作用,均达到极显著性水平(p0.01)。(7)稻田排放的CH_4产生的温室效应高于排放CO_2和N_2O两种气体产生的温室效应。CO_2和产生的温室效应在1824.22~2187.7 kg CO_2·hm-2范围内,而CH_4产生的温室效应在4545.96~8804.75kg CO_2·hm-2之间;CH_4产生的温室效应在总体增温潜势中占得贡献率在71%以上,CH_4产生的温室效应是CO_2和产生的温室效应的3.28倍,是N_2O气体产生的温室效应的76.4倍。从总体增温潜势分析,不同水氮处理的变化范围为5850.91~10581.95kg CO_2·hm-2。相同灌溉模式下,不同氮肥用量处理的总体温室效应差异很小。灌溉模式对总体增温潜势具有一定的影响,淹灌模式下GWP相对于控制灌溉模式和间歇灌溉模式的有所上升。(8)针对黑龙江寒地稻作区的气候特点,建立了控制灌溉、间歇灌溉及淹灌模式下的稻田生长季N_2O和CH_4排放通量的模型。模型可以根据土壤硝态氮含量和温度单因子或双因子模拟预测寒地水稻N_2O及CH_4季节排放通量。模型的参数少,应用方便,实用性较强,可以为黑龙江寒地水稻生产的温室气体的排放管理调控提供决策支持。节水灌溉模式配合适宜氮肥施用量,既能增加水稻产量,提升水氮利用效率,同时也能有效地降低CO_2、CH_4和N_2O的总体温室效应。在黑龙江寒地稻作区,应综合考虑产量及稻田温室效应,对节水灌溉模式给予高度重视。
【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】