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长期碳氮投入对土壤有机碳氮库及环境影响的机制

作　者: 黄涛
导　师: 巨晓棠；Joachim Ingwersen；Thilo Streck
学　校: 中国农业大学
专　业: 植物营养学
关键词: 碳氮投入氮素利用硝酸盐淋洗 N2O排放全球净增温潜势土壤团聚体
分类号: S181
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

长期碳氮投入是华北平原保证粮食安全的主要措施之一,但也深刻地影响着该地区碳氮的生物地球化学循环。如何保证粮食产量、实现环境友好和提升土壤质量一直是该区重要的科学问题。本研究以四种不同的氮肥管理措施(对照不施氮、基于Nmin测试法的优化施氮、基于氮素平衡计算法的施氮和农民传统施氮)和两种不同的秸秆管理措施(秸秆还田与秸秆不还田)的长期定位试验为基础,通过田间原位观测,系统的研究了连续7年不同碳氮投入对作物产量、氮素利用、硝酸盐淋洗及N20排放的影响；通过室内培养试验,分析了长期不同碳氮投入对土壤有机碳氮库、土壤团聚体及有机碳组分、土壤N20基础排放能力及硝化-反硝化潜势的影响；并结合其他农业措施的碳排放,综合计算了长期不同碳氮投入对作物生产体系的全球净温室效应(Net-GWP)及温室气体排放强度(GHGI)的影响。对长期作物产量及氮素利用的研究表明,与农民传统施肥方式(Ncon和C+Ncon)(11.3和11.6tha-1yr-1)相比,基于Nmin测试法的优化氮肥管理方式(Nopt和C+Nopt)能够减少52-57%的氮肥投入量,且未显著降低籽粒产量(10.8和11.3t ha-1yr-1);而与农民传统施肥方式相比,基于氮素平衡计算的氮肥管理方式(C+M和C+W)既能减少45-85%的化肥氮投入,还能提高籽粒产量(12.8和12.4t ha-1yr-1)。农民传统施肥长期大量氮肥投入会导致冬小麦和夏玉米秸秆的CN比下降,降低作物对逆境和病虫害的抗性；与不施肥处理相比,碳氮投入能够增强作物产量的稳定性,而长期基于氮素平衡计算的有机肥处理更有利于作物产量的长期稳定。对0-1m氮素平衡和淋洗量的研究表明,与不施肥对照相比,农民传统施肥方式(Ncon和C+Ncon)由于长期过量氮肥投入导致大量的NO3-N累积(0-1m分别为320-896和449-699kg N ha-1;1-2m分别为265-873和323-911kg N ha-1)、表观氮损失(7年平均,分别为281和272kg N ha-1yr-1)和硝酸盐淋洗(3年平均,分别为33.7和43.9kg N ha-1yr-1)。与农民传统施肥方式相比,基于Nmin测试和平衡计算的氮素管理方式能够显著地降低0-1m和1-2m的N03-N累积量、表观氮损失量和淋洗量(P<0.05)。过量氮肥投入下,秸秆还田促进淋洗；优化氮肥投入下,秸秆还田能够降低淋洗；而有机肥投入并未增加淋洗。淋洗量与土壤剖面的硝态氮累积量具有很好的线性关系,其淋洗量分别为土壤0-1m和1-2m的硝态氮累积量的4.2%和4.3%。对土壤N20排放和Net-GWP的研究表明,与农民传统处理的N20排放量(3.4--4.5kg N20-Nha-1yr-1)相比,基于Nmin测试法的优化施氮措施能够降低46.1-46.6%。与秸秆不还田相比,秸秆还田措施能够增加26-36%的N20排放,但同时也可以提升0-20cm土壤的SOC含量(26.1vs22.4g kg-1)。传统的农民管理措施能够造成4121-3041kg CO2-eq ha-1yr-1的Net-GWP,基于Nmin测试法的管理措施可以通过减少氮肥投入而降低Net-GWP(2594-2409kg CO2-eq ha-1yr-1);而基于氮素平衡计算的管理措施既可以通过减少氮肥投入,又可以通过增加SOC含量来降低Net-GWP,而且为GWP的汇(-1939至-3330kg CO2-eq ha-1yr-1).农民传统处理的GHGI为0.24-0.35kg CO2-eqkg-1籽粒,基于Nmin测试法和氮素平衡计算法的优化氮肥管理措施分别降低了27%和141%。该地区冬小麦-夏玉米轮作体系的主要排放源是灌溉电力消耗,氮肥的生产和运输以及土壤N20排放,而土壤SOC固持则为主要汇。对土壤有机碳氮库、团聚体及有机碳组分的研究表明,与试验开始前土壤有机碳(SOC)含量相比(7.7g kg-1),6年来,除No处理下降外(6.9g kg-1),其余处理均增加了8.8-40.6%的SOC。在秸秆不还田的情况下,与不施氮对照处理相比,长期基于Nmin测试法和农民传统的氮肥管理措施对0-20cm的有机碳库无明显影响(P>0.05),却显著增加了0-20cm的土壤氮库(P<0.05)。在秸秆还田的情况下,与不施氮对照处理相比,基于Nmin测试法对0-20cm的有机碳库和氮库均无明显影响(P>0.05),农民传统仅能显著增加0-20cm的有机碳库(P<0.05),对氮库却无显著影响(P>0.05),而平衡氮素计算却均能显著增加0-20cm的有机碳库和氮库(P<0.05)。与不施氮对照处理相比,其他所有处理对20-40、40-60cm的有机碳库和氮库均无明显影响(P>0.05)。与不施氮对照处理相比,基于Nmin测试法的氮肥管理措施并未显著增加>250μm的团聚体比重(P>0.05),也并未显著增加各粒级大小团聚体的碳含量(P>0.05),但其显著增加了cPOM中的有机碳碳含量(P<0.05)。而与不施氮对照处理相比,农民传统施肥管理措施并未显著增加各粒级大小团聚体的碳含量(P>0.05),但显著增加了>250μm的团聚体比重(P<0.05),而且还显著增加了各有机碳组分的有机碳含量(P<0.05)。而与不施氮对照处理相比,平衡氮素计算法的氮肥管理由于投入了大量的有机质,既显著增加了>250μm的团聚体比重(9.4-9.5%vs6.8-7.3%)(P<0.05),也显著增加了2000-250μm团聚体中的碳含量(31.4-39.9g C kg-1vs21.4-22.2g C kg-1)(P<0.05),而且还分别增加了12.2-40.7%(iPOM_m)和8.5-30.8%(s+c_m)的稳定性碳库中的有机碳含量。土壤团聚体的碳含量基本符合团聚体层次模型,有机质是该类型土壤团聚体形成过程中主要的胶结物质。长期氮素平衡计算的管理措施不仅能够增加土壤有机碳氮库的数量,而且还能提高其质量。对土壤N2O基础排放能力和硝化-反硝化势的研究表明,与对照处理相比,除C+M处理外,长期不同碳氮投入对N20的基础排放能力无显著影响(P>0.05)。土壤N20基础排放来源既有硝化作用又有反硝化作用。采用NO3-N产生量在该类型土壤上能够较为准确的反映土壤硝化潜势的能力,土壤的硝化潜势与土壤的NH4-N具有显著的正相关关系(P<0.05)。采用气态产物(N20和N2)的产生总量能够较准确的反映土壤反硝化潜势的能力,土壤的反硝化潜势与土壤的有机碳和全氮含量具有显著的正相关关系(P<0.05)。综上所述,从合理施用氮肥、保证作物产量、降低硝酸盐淋洗和GWP来看,基于Nmin测试法的氮肥管理措施是较为优化的碳氮管理措施,但该措施不仅对土壤有机碳氮库的数量无影响,而且还有降低质量的风险。而在综合考虑氮肥合理施用、稳定作物产量、降低环境效应和提升土壤质量来看,基于氮素平衡计算的有机肥处理是该地区优化的碳氮管理措施。在优化氮肥管理的同时,实施秸秆还田,能够起到一定的增产和降低环境效应的作用。在优化碳氮管理的同时,要注意重视对水分的优化管理。但是,这些优化的碳氮水管理措施仍需长周期的进一步验证和研究。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章文献综述  13-34
  1.1 引言  13
  1.2 土壤碳氮循环及其环境影响  13-16
  1.3 碳氮投入对作物产量及氮素利用的影响  16-19
  1.4 土壤硝酸盐淋洗研究进展  19-24
    1.4.1 土壤硝酸盐淋洗的监测方法  19-22
    1.4.2 土壤硝酸盐淋洗的影响因素  22-24
  1.5 土壤N_2O排放过程研究进展  24-27
  1.6 农田净全球增温潜势(Net-GWP)研究进展  27-30
  1.7 土壤有机碳分组研究进展  30-33
  1.8 问题的提出  33-34
第二章研究思路与研究内容  34-36
  2.1 研究背景与研究思路  34
  2.2 研究内容  34-36
第三章作物产量及其氮素利用  36-54
  3.1 引言  36-37
  3.2 材料与方法  37-44
    3.2.1 试验地概况  37-39
    3.2.2 试验设计  39-41
    3.2.3 土壤基础理化性质测定  41-43
    3.2.4 田间管理  43
    3.2.5 产量及秸秆生物量测定  43-44
    3.2.6 计算方法  44
    3.2.7 统计方法  44
  3.3 结果与分析  44-50
    3.3.1 籽粒产量与秸秆生物量  44-46
    3.3.2 籽粒和秸秆CN比  46-48
    3.3.3 产量稳定性  48-50
  3.4 讨论  50-53
    3.4.1 降低氮肥使用的潜力  50
    3.4.2 N_(min)测试法和平衡计算法的改变  50-52
    3.4.3 产量稳定性  52
    3.4.4 秸秆CN比  52-53
  3.5 小结  53-54
第四章氮素平衡及硝酸盐淋洗  54-75
  4.1 引言  54-55
  4.2 材料与方法  55-58
    4.2.1 试验地概况  55
    4.2.2 试验设计  55
    4.2.3 田间管理  55-56
    4.2.4 土壤测定  56-57
    4.2.5 硝酸盐淋洗测定  57
    4.2.6 计算方法  57-58
    4.2.7 统计分析  58
  4.3 结果与分析  58-68
    4.3.1 土壤硝酸盐累积  58-61
    4.3.2 土壤0-1 m氮素平衡  61-64
    4.3.3 硝酸盐淋洗量  64-68
  4.4 讨论  68-74
    4.4.1 氮平衡及表观氮损失  68
    4.4.2 不同碳氮投入与硝酸盐淋洗量  68-72
    4.4.3 土壤剖面硝酸盐累积量与硝酸盐淋洗量  72
    4.4.4 降雨与硝酸盐淋洗  72-74
  4.5 小结  74-75
第五章氧化亚氮排放及净温室效应  75-95
  5.1 引言  75-76
  5.2 材料与方法  76-80
    5.2.1 试验地概况  76-77
    5.2.2 试验设计  77
    5.2.3 田间管理  77
    5.2.4 土壤测定  77-78
    5.2.5 土壤N_2O排放通量测定及计算  78-79
    5.2.6 计算方法  79-80
    5.2.7 统计分析  80
  5.3 结果与分析  80-92
    5.3.1 土壤N_2P排放  80-88
    5.3.2 年际土壤0-20cm的SOC变化  88
    5.3.3 Net-GWP及GHGI  88-92
  5.4 讨论  92-94
    5.4.1 施肥和秸秆还田措施对SOC固定和N_2O排放的影响  92
    5.4.2 施肥和秸秆还田措施对Net-GWP和GHGI的影响  92-94
  5.5 小结  94-95
第六章土壤碳氮库及有机碳组分  95-107
  6.1 引言  95-96
  6.2 材料与方法  96-97
    6.2.1 采样地概况  96
    6.2.2 土壤采样  96
    6.2.3 土壤团聚体分组  96-97
    6.2.4 土壤有机碳分组  97
    6.2.5 土壤及其组分的测定  97
    6.2.6 统计分析  97
  6.3 结果与分析  97-103
    6.3.1 土壤0-60 cm碳氮库  98-99
    6.3.2 土壤0-20 cm总有机碳和总氮  99
    6.3.3 土壤团聚体分布  99-101
    6.3.4 团聚体碳的含量及分布  101
    6.3.5 土壤有机碳组分  101-103
  6.4 讨论  103-106
    6.4.1 土壤碳氮库  103
    6.4.2 团聚体分布及团聚体有关的碳  103-105
    6.4.3 土壤有机碳组分  105-106
  6.5 小结  106-107
第七章土壤N_2O基础排放能力  107-118
  7.1 引言  107-108
  7.2 材料与方法  108-109
    7.2.1 采样地概况  108
    7.2.2 土壤采样  108
    7.2.3 土壤基础N_2O排放能力测定  108-109
    7.2.4 土壤测定  109
    7.2.5 统计分析  109
  7.3 结果与分析  109-114
    7.3.1 土壤基础N_2O排放能力  109-111
    7.3.2 Robot培养试验前后土壤NH_4-N及NO_3-N含量  111
    7.3.3 土壤硝化潜势与反硝化潜势  111-114
  7.4 讨论  114-117
    7.4.1 土壤N_2O基础排放  114-115
    7.4.2 硝化潜势  115-116
    7.4.3 反硝化潜势  116-117
  7.5 小结  117-118
第八章综合讨论、结论及展望  118-126
  8.1 综合讨论  118-123
  8.2 主要结论  123-124
  8.3 本研究特色  124
  8.4 展望  124-126
参考文献  126-146
致谢  146-148
个人简历  148

长期碳氮投入对土壤有机碳氮库及环境影响的机制

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