论文题目: 裂缝条件下稻田土壤中N2O的释放和氮溶质运移的机理研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 环境工程
作者: 黄树辉
导师: 冯孝善,吕军
关键词: 稻田土壤,裂缝,水分状态,溶质氮,渗漏液,运移,模型
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 土壤中不同的水分状况对土壤中氮素运移和N2O释放产生重要影响。水稻土逐渐变干和干湿交替条件下产生裂缝的现象,显著改变了土体中最基本的物理和化学性质,包括土壤三相比、土温变化、氧化还原状况、水分传导系数以及土壤微生物的特性等。本文模拟了淹水、逐渐变干、湿润状态、干湿交替等不同的水分状况下,加入不同量的硫酸铵肥料和硝化抑制抑制剂DCD的土柱和田间实验来探讨土壤中N2O释放规律和渗漏液中氮素运移规律以及与氮有关的还原酶活性的变化,试图阐述稻田裂缝条件下N2O的释放规律和渗漏液中氮溶质运移。在此基础上,还利用DNDC模型来模拟和比较了稻田释放N2O的规律,以期得到适合南方稻田N2O排放模拟的模型。取得了如下结果:(1) 水稻田N2O排放通量的较大值主要出现在三次烤田期。对田间N2O排放影响最大的因素分别是土壤含水量(x1) ,土温(x2) 和Eh(x3) ,它们对N2O排放量(Y)的影响可以用公式Y=-1498. 95+2895. 48X1十50. 63X2-96. 99X1*X2+0. 006X2*X3表示。烤田前稻田土壤中羟胺还原酶活性的强弱与N2O的排放存在显著线性负相关关系。氮肥和磷肥对土壤中产生N2O的贡献主要在水稻生长中后期,即从第一次烤田起(移栽后34d),都表现为对N2O排放的促进作用。而低氮水平对N2O排放的刺激作用没有高氮的刺激对N2O排放明显,且N2处理(180 kgNha-1) 、N1处理(90 kgN ha-1) 和NO(没有施肥)之间的平均N2O排放差异不显著。在水稻生长中后期(第一次烤田后),较高水平的氮肥加入即,N3处理(270kgN ha-1) 和N4处理(360kgNha-1) 能强烈刺激N2O排放。(2) 土壤裂缝形成对若干土壤酶活性的影响差异很大。质地粘重的青紫泥和黄斑田土壤在自然干燥过程中会产生裂缝,但粉砂性的小粉土在整个培养过程中没有出现裂缝。青紫泥和黄斑田在裂缝演变过程中,裂缝的单位面积总长度,最大宽度以及最大深度都遵循着一定的规律。水稻土在自然干燥过程中,有无裂缝对于土壤中硝酸还原酶和羟胺还原酶活性变化影响显著,但是亚硝酸还原酶活性的演变与土壤产生裂缝没有明显关系。在水稻分蘖期的烤田过程中,随着稻田土壤的含水量的逐渐减少,土壤中硝酸还原酶活性急剧降低,羟胺还原酶活性里波浪型变化,几乎检测不到亚硝酸还原酶活性。(3) 裂缝的产生影响土体的氧化还原状态。改变土壤渗漏液中Eh值,进而影响土壤渗漏液中氮的形态分配比例。在自然干燥过程产生的裂缝显著增加土壤渗漏液中硝态氮和亚硝态氮浓度,但是对铵态氮浓度的变化没有影响很小。裂缝的平均体积、平均面积、平均深度与土壤渗漏液中硝态氮浓度之间存在线性负相关关系。硝态氮浓度的变化影响着土壤渗漏液中亚硝态氮浓度。没有裂缝产生的小粉土土壤渗漏液中Eh值与硝态氮、亚硝态氮存在显著的负相关关系。有裂缝产生的青紫泥和黄斑田中土壤渗漏液中Eh值与硝态氮、亚硝态氮和总氮之间没有显著的相关关系。裂缝的出现影响着土壤渗漏液中氮溶质运移和土壤中NZo气体的释放,另外还改变了土壤中NZO的时变化规律。 (4)不同的水分管理状态下,所有处理的渗漏液中NZO浓度都是超饱和的。不同的水分管理状态会对土柱渗漏液中溶质的运移产生不同的影响:不同的水分处理可以导致渗漏液中钱态氮浓度含量不一样,施肥逐渐变干处理(O)的渗漏液中馁态氮浓度最高,其次是淹水处理(E),最小的是湿润处理(F)。E处理中渗漏液中硝态氮和亚硝态氮浓度明显高于。和F两种处理。O处理的土壤中释放的N20通量明显高于E和F处理,且呈波动变化。此外也对土壤释放 NZO产生不同的效果。 (5)不同起始开裂强度和不同量的硫酸钱的实验表明,施肥量越多,渗漏液中按态氮浓度越高。施氮肥量只对渗漏液中按态氮有显著影响.不同始起开裂天数只对渗漏液中NZO浓度变化有显著影响。 (6)硝化抑制剂DCD对裂缝条件下的氮素运移的影响实验表明,从不同量的硫酸馁加入与不同的开裂强度下的对照实验可得出渗漏液中按态氮浓度与肥料的施入量呈正相关,但是与开裂强度的关系却没有肥料加入的处理明显,渗漏液中亚硝态氮和PH各处理之间的差异不明显,渗漏液中硝态氮和N20含量与肥料和开裂强度的关系复杂,数据分析也表明,不同的肥料加入量导致影响土体释放NZO的规律也不一样,这说明裂缝的存在影响着肥料释放NZO的潜力;而淹水+硫酸钱+OCD逐渐变干处理实验与对照相比,OCO的加入并没有在裂缝产生过程中起到抑制的效果,因而也导致了整个过程中土体释放的NZO通量比对照高;但是在不同的裂缝强度下,再淹水加入相同量的硫酸按和不同量的OCO实验却可得出OCD对土体中NZO的释放具有不同抑制效果,OCO对于抑制开裂条件下先淹水再逐渐变干过程中土壤释放的NZO的抑制是非常有效的。 (7)DNDC模型能够较好地模拟出中国东南地区农田生态系统的N20排放趋势。这说明该模型己经抓住了实质性的NZO排放关键过程。但对于稻田的模拟时,模拟值普遍比观察值偏高,说明该模式还有待进一步完善。稻田ONOC模型的改善可从干湿交替过程、氮肥的施入量与方式和水稻吸收NZO这三方面考虑。关键词:NZO,稻田土壤,裂缝,水分状态,溶质氮,渗漏液,运移,ONOC模型/夕
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中文摘要
Abstract
引言
第一章 文献综述
1 氮素管理与氮的损失和环境
1． 1 氮肥的利用和去向
1． 2 氮肥的损失途径与环境污染
1． 3 氮素管理的研究
2 N_2O生成机理及影响因素和气候变化
2． 1 N_2O生成机理
2． 2 土壤中N_2O排放的影响因素及其影响机理
2． 2． 1 土壤含水量
2． 2． 2 温度
2． 2． 3 氧气
2． 2． 4 土壤质地
2． 2． 5 土壤结构的变化
2． 2． 6 pH的影响
2． 2． 7 氮肥和抑制剂
2． 2． 8 其它因素
2． 3 N_2O排放与全球气候变化
2． 3． 1 气候变化科学新进展
2． 3． 2 气候变化对策研究
2． 4 硝化和反硝化作用的贡献
2． 4． 1 标记的(15) ~N气体通量方法
2． 4． 2 乙炔抑制法
3 裂缝的形成与发展及其对溶质运移的影响
4 溶质运移
4． 1 溶质运移的简况
4． 2 土壤溶质运移的现状
4． 2． 1 优势流
4． 2． 2 溶质运移模型、观察技术和研究方法的应用
4． 2． 3 土壤中溶质运移的理论
4． 2． 4 溶质运移的数学求解
4． 2． 5 溶质运移的模型
5 温室气体的模型模拟
5． 1 经验模型
5． 1． 1 IPCC清单估算
5． 1． 2 Bouwman模型应用到农业土壤N_2O排放量的估算
5． 1． 3 其它经验模型
5． 2 过程模型
5． 2． 1 DNDC模型
5． 2． 2 其它过程模型
6 研究选题与总体思路
6． 1 选题依据及意义
6． 2 总体思路
第二章 稻田土壤中N_2O的释放研究
1 材料和方法
1． 1 供试土壤
1． 2 田间试验
1． 3 监测指标及方法
2 结果与分析
2． 1 稻田生育期内N_2O排放
2． 2 氮肥和磷肥对N_2O排放的影响
2． 2． 1 PO情况下N_2O的排放
2． 2． 2 P2情况下N_2O的释放
2． 2． 3 氮磷对N_2O排放的影响
2． 3 温度、Eh对N_2O排放的影响
2． 4 田表水和渗漏液中的氮素对N_2O排放的影响
2． 4． 1 田表水中的氮素运移
2． 4． 2 渗漏液中的氮素运移
2． 4． 3 田表水和渗漏液中的氮素对稻田N_2O排放的影响
2． 5 稻田土壤中三种与氮有关的还原酶活性的变化及其对N_2O排放的影响
2． 5． 1 硝酸还原酶的活性变化
2． 5． 2 羟胺还原酶和亚硝酸还原酶活性的变化与N_2O排放
2． 5． 3 三种还原酶活性的变化与N_2O排放
3 小结
第三章 裂缝的产生、发展和基本性质的演变及其对与氮有关的还原酶活性的影响
1 材料与方法
1． 1 供试材料
1． 2 土柱实验
1． 3 裂缝的测量
1． 4 氮溶质的监测
2 结果与讨论
2． 1 裂缝的形状演变
2． 1． 1 土柱培养情况下开裂
2． 1． 2 复水后裂缝的变化
2． 1． 3 水稻田的开裂
2． 2 水稻土的裂缝的演变与含水量的关系
2． 2． 1 土柱中的裂缝演变及其含水量的变化
2． 2． 2 烤田期稻田裂缝的演变
2． 3 粘粒和有机质对裂缝的影响
2． 4 土柱培养情况下裂缝的演变和三种与氮有关还原酶的关系
2． 4． 1 硝酸还原酶活性随时间的变化
2． 4． 2 亚硝酸还原酶活性随时间的变化
2． 4． 3 羟胺还原酶活性随时间的变化
2． 5 稻田裂缝情况下还原酶活性变化
2． 5． 1 硝酸还原酶活性变化
2． 5． 2 羟胺还原酶和亚硝酸还原酶活性的变化
2． 5． 3 裂缝对还原酶活性的影响
3 小结
第四章 水稻土干湿交替过程中氮素转化、运移及其对N_2O释放的影响
1 材料与方法
1． 1 供试材料
1． 2 土柱实验
1． 2． 1 土壤产生裂缝的实验
1． 2． 2 氮肥施用条件下土壤产生裂缝的实验
1． 2． 3 土柱淹水培养实验
1． 2． 4 湿润状态下土柱培养实验
1． 2． 5 不同施氮量和不同开裂程度的实验
2 结果与分析
2． 1 渗漏液中铵态氮的浓度演变
2． 1． 1 土壤类型对铵态氮浓度的影响
2． 1． 2 不同水分状况对铵态氮浓度的影响
2． 1． 3 施肥量和开裂程度对铵态氮浓度的影响
2． 2 渗漏液中亚硝态氮的浓度演变
2． 2． 1 土壤类型对亚硝态氮浓度的影响
2． 2． 2 不同水分状况对亚硝态氮浓度的影响
2． 2． 3 施肥量和开裂程度对亚硝态氮浓度的影响
2． 3 渗漏液中硝态氮的浓度演变
2． 3． 1 土壤类型对硝态氮浓度的影响
2． 3． 2 不同水分状况对硝态氮浓度的影响
2． 3． 3 施肥量和开裂程度对硝态氮浓度的影响
2． 4 渗漏液中N_2O的浓度演变
2． 4． 1 土壤类型对N_2O浓度的影响
2． 4． 2 不同水分状况对N_2O浓度的影响
2． 4． 3 施肥量和开裂程度对N_2O浓度的影响
2． 5 渗漏液中Eh和pH的演变
2． 5． 1 土壤类型对Eh的影响
2． 5． 2 不同水分状况对pH的影响
2． 5． 3 施肥量和开裂程度对pH的影响
2． 6 土壤中N_2O释放通量的演变
2． 6． 1 土壤类型对N_2O释放通量的影响
2． 6． 2 不同水分状况对N_2O释放通量的影响
2． 6． 3 施肥量和开裂程度对N_2O释放通量的影响
2． 7 数据的统计分析
3 总结
第五章 不同开裂程度、施肥量和DCD剂量对N_2O捧放和渗漏液中氮运移的影响
1 实验材料和方法
1． 1 DCD对土壤产生裂缝的实验
1． 2 相同施肥量、不同剂量的DCD抑制剂和不同开裂程度的实验
2 结果与讨论
2． 1 土壤产生裂缝再复水加入抑制剂DCD的实验
2． 1． 1 渗漏液中的铵态氮演变
2． 1． 2 渗漏液中的亚硝态氮变化
2． 1． 3 渗漏液中的硝态氮浓度演变
2． 1． 4 渗漏液中的N_2O变化
2． 1． 5 渗漏液中的pH变化
2． 1． 6 土柱中释放的N_2O通量变化
2． 1． 7 小结
2． 2 不同开裂程度和DCD抑制的影响研究
2． 2． 1 渗漏液中的铵态氮浓度演变
2． 2． 2 渗漏液中的亚硝态氮浓度
2． 2． 3 渗漏液中的硝态氮浓度演变
2． 2． 4 渗漏液中的N_2O变化
2． 2． 5 渗漏液中的pH变化
2． 2． 6 土柱中释放的N_2O通量变化
2． 2． 7 小结
3 结论
第六章 运用DNDC模型对稻田N_2O排放的模拟
1． 引言
2 数据的模拟与验证
2． 1 气象数据的准备
2． 2 DNDC模型与模拟
2． 2． 1 场景气候库
2． 2． 2 土壤库
2． 2． 3 农场管理库
2． 3 模拟结果
2． 3． 1 0氮水平下的模拟结果(0 kgN ha~(-1) +0 kgN ha~(-1) )
2． 3． 2 低氮水平下的模拟结果(90 kgN ha~(-1) +30kgN ha~(-1) )
2． 3． 3 中等氮水平的模拟结果(180 kgN ha~(-1) +90 kgN ha~(-1) )
2． 3． 4 中高等氮水平的模拟结果(270 kgN ha~(-1) +135 kgN ha~(-1) )
2． 3． 5 高氮水平下的模拟结果(360 kgN ha~(-1) +180 kgN ha~(-1) )
2． 4 不同氮肥水平下N_2O日释放
2． 4． 1 运用DNDC模型模拟的N_2O日释放
2． 4． 2 田间实验下不同氮肥水平的N_2O释放
2． 4． 3 模拟值与实测值的对比分析
2． 5 模型的校正
3 总结
第七章 全文总结
1 主要结论
2 论文创新点
3 不足之处
4 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
发布时间: 2005-04-29
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