长期不同施肥制度下湖南红壤双季稻田甲烷排放的研究

论文摘要

温室气体排放导致全球变暖,而且它的转化产物还直接影响人体的健康。稻田生态系统是大气CH4的主要生物排放源之一,其对温室效应的影响已经成为全球关注的焦点。我国是稻谷产量大国,双季稻种植制度是典型的南方农田利用方式,所以其在大气CH4不断增加的过程中起着十分重要的角色。本试验选取湖南长期不同施肥制度下红壤双季稻田为研究对象,采用静态箱-气相色谱法对双季稻田CH4排放进行观测,研究了长期不同施肥制度（包括CK、NP、NK、NPK、OM和JF）对双季稻田温室气体CH4排放季节变化规律和累积排放量的影响,以及由于长期不同施肥处理造成土壤理化性质发生的变化对CH4排放的影响,探讨了各个环境和作物因素对CH4排放的影响,建立了长期不同施肥制度下农田温室气体CH4排放的预测模型,并估算长期不同施肥制度的CH4排放对温室效应影响的贡献。研究结果表明:长期不同施肥制度下,双季稻田CH4排放具有基本相同的季节变化规律,早稻各处理CH4排放季节变化具有三段排放高峰,分别发生在移栽期,分蘖期和水稻成熟期。按生育期排放量,早稻CH4排放主要集中在早稻生长中期,其中分蘖期和孕穗期排放量占总排放量的70%以上。晚稻CH4排放呈单峰型,移栽后一周内各处理即达到排放全年最高峰,后期CH4排放较少。按生育期排放量,晚稻CH4排放主要集中于晚稻生长的前一个月,移栽返青期和分蘖期排放量占总排放量的60%以上。施肥是调控稻田CH4排放的重要手段,长期不同施肥处理,早稻CH4排放通量大小依次为:OM＞JF＞NPK＞NP＞NK＞CK:晚稻依次为OM＞JF＞NPK＞NK＞NP＞CK,施加有机肥促进CH4排放,单施化肥全量养分的CH4排放大于缺素施肥,对于缺素施肥的CH4排放,早稻和晚稻略有不同。长期不同施肥处理对土壤全氮和有机碳的积累有一定影响,呈现升高趋势。研究表明土壤全氮和有机碳含量与稻田CH4累积排放量有较好的相关性。长期施肥条件下,土壤pH呈下降趋势,不同施肥制度的下降程度基本相同,CH4累积排放量与土壤pH成负相关。早晚稻田CH4排放通量与土壤中铵硝动态变化并没有明显的相关性。温室气体CH4排放的环境影响因子包括温度、土壤Eh、土壤pH、水层深度等,研究表明气温对晚稻的影响极显著,而对早稻的影响相对较弱。土壤温度对不同施肥制度处理,无论是早稻还是晚稻,其变化都与CH4排放通量有极显著的相关性。土壤Eh对不同施肥制度下晚稻田的影响极显著,早稻生育期与晚稻略有不同,土壤Eh对晚稻的影响要强于早稻。无论何种施肥制度,早晚稻田各处理的CH4排放通量与稻田水层深度相关性不显著。CH4排放高峰期土壤pH值大多在5.5附近,与早稻田CH4排放相关性不显著,而与晚稻田则有显著相关。温室气体CH4排放的作物影响因子包括水稻生育期的植株高度、地上和地下部分的生物量,叶面积以及生物产量和经济产量等,研究表明稻田CH4累积排放总量和水稻植株高度,地上和地下部分的生物量,有显著的正相关,与叶面积的相关不明显。水稻的生物产量和经济产量越高,稻田CH4累积排放总量也越高。基于对不同施肥制度温室气体CH4排放的研究,建立了各施肥制度下的六个预测方程,其拟合结果均与实测值有显著的相关关系,通过实测值与模拟值的对比发现,预测方程基本上体现了双季稻生育期CH4排放的季节变化趋势。不同施肥制度下稻田CH4排放对温室效应的贡献分析结果表明,无论是在20年还是在500年的时间尺度上,其贡献顺序都为有机无机配施＞全量化肥＞缺素施肥＞对照。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1 大气中甲烷的作用、浓度变化和源汇
• 1.1 大气中甲烷的化学和气候效应
• 1.1.1 化学作用
• 1.1.2 气候效应
• 1.2 大气中甲烷的浓度变化
• 1.3 大气甲烷的主要源和汇
• 2 稻田甲烷的产生、氧化及其传输机理
• 2.1 稻田甲烷的产生
• 2.2 稻田甲烷的氧化
• 2.3 稻田甲烷的传输
• 2.3.1 植物的通气组织
• 2.3.2 气泡
• 2.3.3 液相扩散
• 3 稻田甲烷排放的主要影响因素
• 3.1 农业管理措施
• 3.1.1 施肥效应
• 3.1.2 耕作制度
• 3.1.3 灌溉措施
• 3.1.4 水稻植物体的作用
• 3.2 土壤因子
• 3.2.1 土壤质地
• 3.2.2 土壤渗漏率
• 3.2.3 土壤有机质
• 3.2.4 土壤pH值和Eh值
• 3.2.5 土壤温度
• 3.3 气候因子
• 4 农田甲烷的减排措施
• 5 本研究的目标与主要内容
• 5.1 本试验的研究目标
• 5.2 本试验的研究主要内容
• 第二章 材料与方法
• 1 研究地点概况
• 2 试验区设计与田间管理
• 2.1 双季稻田试验区的不同施肥处理
• 2.2 双季稻田常规管理措施与水稻生育期
• 3 气体样品的采集方法与分析测定
• 3.1 气体样品的采集
• 3.2 气体样品的分析
• 3.3 甲烷气体排放通量的计算
• 4 生物和环境要素记载
• 4.1 生物要素
• 4.2 田间管理记载
• 4.3 土壤要素
• 4.4 气象要素
• 5 数据分析
• 第三章 长期不同施肥制度下双季稻田甲烷排放季节变化规律
• 1 引言
• 2 结果与讨论
• 2.1 长期不同施肥制度下双季稻田甲烷排放通量的季节变化规律
• 2.2 长期不同施肥制度下双季稻田甲烷排放的年际差异
• 2.3 长期不同施肥制度下双季稻田各生育期甲烷排放累积贡献率
• 2.4 冬季休闲期不同施肥制度稻田甲烷排放规律
• 3 小结
• 第四章 长期不同施肥制度对双季稻田甲烷排放的影响
• 1 引言
• 2 结果与讨论
• 2.1 长期不同施肥制度对双季稻田甲烷累积排放量的影响
• 4⁺-N和NO₃^--N动态变化与甲烷排放'>2.2 不同施肥制度下土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N动态变化与甲烷排放
• 2.3 长期不同施肥制度下土壤养分的年际变化对甲烷排放通量的影响
• 2.3.1 土壤全N含量变化对双季稻田甲烷排放的影响
• 2.3.2 土壤有机碳含量对双季稻田甲烷排放的影响
• 2.3.3 土壤pH变化对双季稻田甲烷排放的影响
• 3 小结
• 第五章 影响长期施肥稻田甲烷气体排放的环境因素
• 1 引言
• 2 结果与讨论
• 2.1 温度
• 2.1.1 空气温度
• 2.1.2 土壤温度
• 2.2 土壤氧化还原电位
• 2.3 水层深度
• 2.4 土壤pH
• 3 小结
• 第六章 不同施肥制度下作物生长对稻田甲烷排放的影响
• 1 引言
• 2 结果与讨论
• 2.1 不同施肥制度下甲烷累积排放总量与水稻植株高度增加的关系
• 2.2 不同施肥制度下甲烷累积排放总量与水稻生物量的关系
• 2.2.1 甲烷累积排放总量与水稻地上部分生物量的关系
• 2.2.2 甲烷累积排放总量与水稻根系生物量的关系
• 2.3 不同施肥制度下甲烷排放通量与水稻叶面积的关系
• 2.4 不同施肥制度下甲烷累积排放总量与双季稻生物产量和经济产量的关系
• 3 小结
• 第七章 长期不同施肥制度稻田甲烷排放预测模型探究及其对温室效应的影响
• 1 引言
• 2 结果与讨论
• 2.1 长期不同施肥制度下稻田甲烷排放的预测模型
• 2.2 不同施肥制度下稻田甲烷排放对温室效应的影响
• 3 小结
• 第八章 结论与展望
• 1 主要结论
• 2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介