基于DNDC模型的不同耕作措施下农田土壤碳循环模拟研究

论文摘要

安定区位于西部黄土高原旱作农业区,长期的传统耕作方式造成了该地区土壤有机质耗竭和肥力下降,耕地质量日趋退化,农业生产低而不稳,是我国农业发展难度较大且潜力未得到发掘的区域。因此,研究不同耕作措施对农田土壤碳循环规律和SOC含量长期变化趋势的影响,不仅有助于揭示农田土壤碳的源汇特征,并为实现该区农业可持续发展的长远目标,对土壤培肥和保障粮食安全作出相应的贡献,而且对全球大气CO2减排也起着不可忽视的作用。本研究在长期定位试验的基础上,验证了该模型在黄土高原旱作农业区应用的可行性,利用DNDC模型估算了安定区农田土壤有机碳储量,研究该地区农业生态系统土壤碳平衡规律,及其不同农业管理措施对土壤碳库的长期影响效应,得出了以下主要结论:（1）DNDC模型模拟结果的可信度,只有与实测数据进行比较才能确定,本文采用甘肃农业大学定西旱农综合试验站的实验数据（2001年—2008年）,从模型模拟SOC及作物产量动态变化方面进一步验证DNDC模型在黄土丘陵沟壑区的适用性。得出模型对不同处理的土壤表层有机碳含量的模拟结果与实测值能较好的吻合,表明DNDC模型可用来模拟和预测该地区农田SOC含量及作物产量的动态变化。（2）DNDC模型对土壤质地、气候因子与耕作方式等影响因子的敏感性分析结果表明:各种耕作管理措施中施用有机肥对有机碳含量的影响最大,且随着有机肥施用量的增加,有机碳增加的幅度越大;其次为秸秆还田率,还田率越高,有机碳含量也越高,二者均可促进土壤的“碳汇”效应。再次为土壤质地,由于土壤有机碳大部分保存在粉粒和黏粒中,黏粒含量越高有机碳含量也越高。而气候因子中温度对土壤有机碳的影响较为明显。分析结果一方面说明土壤碳库的维持较为敏感的受初始SOC含量等环境因子的影响,另一方面也揭示了为提高土壤固碳能力,通过改良耕作管理措施具有很大的潜力。（3）通过研究长期（100a）不同耕作措施下农田土壤碳循环规律及SOC含量变化趋势,结果表明:免耕与秸秆覆盖相结合是增加土壤有机碳含量最有效的方法,其次为传统耕作结合秸秆还田和免耕两种措施。秸秆覆盖或还田、免耕和施用有机肥等措施都是生产实践中简单易行的方法,能够持之以恒地实施这些措施对提高该区域土壤可持续能力有着重要意义。（4）模拟不同处理间C的循环,C循环输入、输出项均表现出:秸秆覆盖或还田在能提高作物秸秆与根系残留的外源C携入量的同时,也能提高土壤异氧呼吸对内源C的消耗量,即能同时提高土壤碳库的“碳汇”与“碳源”能力,而免耕则能够降低土壤呼吸对有机碳的消耗。（5）利用DNDC模型对安定区农田土壤有机碳储量进行了估算,得出2008年安定区农田土壤（面积为1.2×109m2）表层（0～20 cm）有机碳总储量为2.8×109 kg,平均土壤有机碳密度为2.33 kg m-2,SOC含量总体水平不高,空间差异明显,全区基本在18963.98～26943.03 kg hm-2范围内波动。（6）通过对安定区农田土壤模拟在不同碳投入的情景下30a的表层（0～20 cm）土壤有机碳储量及平衡状况,得出与当前管理相比,增加有机肥能够增加土壤有机碳的积累,其次为免耕同时增加秸秆还田,而单独实施这两种措施,土壤有机碳的积累速度较慢。可见,通过耕作管理措施的改良促进土壤有机碳是行之有效的方式,符合农业可持续发展的大方向,宜予以推广。

论文目录

• 摘要
• Summary
• 第一章 文献综述
• 1.1 土壤碳循环
• 1.2 土壤碳库现状
• 1.3 农田生态系统土壤碳素的输入和输出
• 1.3.1 农田生态系统土壤碳素的输入
• 1.3.2 农田生态系统土壤碳素的输出
• 1.4 土壤有机碳影响因子研究进展
• 1.4.1 自然因素的影响
• 1.4.2 人为管理因素
• 1.5 土壤有机质模型研究进展
• 第二章 研究内容和研究方法
• 2.1 研究内容
• 2.2 研究目的与意义
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 DNDC 模型
• 2.3.2 试区概况
• 2.3.3 试验设计
• 2.3.4 作物播种与施肥
• 2.4 基本参数的获取与设置
• 2.5 技术路线
• 第三章 DNDC 模型验证及驱动因子的敏感性分析
• 3.1 模型的验证
• 3.2 土壤理化性状及农田管理措施的敏感性分析
• 3.3 气候因子的敏感性分析
• 3.4 讨论
• 3.5 结论
• 第四章 不同耕作措施下土壤有机碳长期动态变化及模拟
• 4.1 不同耕作处理土壤有机碳的长期变化
• 4.2 不同耕作措施下 C 的循环
• 4.3 安定区农田土壤碳储量估算
• 4.4 不同管理措施下安定区农田土壤碳库的响应模拟
• 4.5 讨论
• 4.6 结论
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介