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有机种植方式下农田土壤有机碳动态模拟研究

作　者: 汪张懿
导　师: 宗良纲
学　校: 南京农业大学
专　业: 环境科学
关键词: 有机肥料有机碳分解土壤固碳 Soil-C模型有机农业
分类号: S153.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文基于全球变化的大背景,采用模型模拟的研究方法,对有机种植方式下农田土壤固碳特性与潜力进行了研究。分别通过培养试验、田间根袋法试验和定位试验重点探讨了：1.三种常用有机肥料的分解特性、易分解比例及其对土壤有机碳矿化的影响；2.农田土壤有机碳模型(Soil-C模型)在有机种植中参数的确定、验证和应用：3.利用Soil-C模型定量分析有机种植中肥料的最佳施用方式和施用比例。培养试验以商品有机肥(SP)、油菜饼肥(BF)和秸秆堆肥(DF)三种不同种类有机肥为供试材料,采用土壤呼吸瓶法进行90天恒温培养,结果表明：三种有机肥的分解特性差异极大,油菜饼肥与秸秆堆肥在培养前25d分解速率呈现快速升高后又快速下降的变化规律,其中C/N最低的油菜饼肥更加明显,而C/N最高的商品有机肥分解速率很低；三种有机肥料处理的土壤有机碳累积矿化量存在极显著差异(P<0.01),大小顺序依次为油菜饼肥处理>秸秆堆肥处理>商品有机肥处理；培养结果运用Soil-C模型进行拟合,获得一级动力学分解速率常数K1=0.019、K2=0.97×10-3和Ks=0.80×10-3(d-1),同时计算出商品有机肥、油菜饼肥和秸秆堆肥的C02-C矿化率F(C)分别为0.22、0.57和0.47。比对实验测定数据与模型模拟数据表明,当商品有机肥与油菜饼肥混合比例为2：1时,就能极显著提高商品有机肥的分解率(P<0.01)；而秸秆堆肥与油菜饼肥1：1混合时,亦能极显著提高秸秆堆肥的分解率(P<0.01)。尽管在培养试验中,利用Soil-C模型能对土壤有机碳的矿化过程作出较为准确的定量描述,但要想证实该模型在有机种植中的适用性,获取三种有机肥料易分解比F的准确计算方式,还需通过田间根袋法试验结果加以验证。从田间根袋法试验结果中可以看出：三种有机肥的分解变化规律与培养试验结果相似。其中,春、秋两季露地地块试验结果表明,温度等环境因素对有机肥的分解产生显著性影响。秋季试验结果与春季相比,表现为前期分解较快,而后期分解较慢。大棚试验则证明了三种有机肥料在温度较低的冬季,分解速率均变得十分缓慢,但随着翌年春天温度的明显回升,分解速率明显升高,随之再次变得缓慢。大棚试验前半年,商品有机肥、油菜饼肥、秸秆堆肥的分解率,分别占各自全年分解率的70%、91%、80%,可见半年时间,足以充分反映有机肥料分解的动态变化规律。将三种有机肥料的有机碳损失率F(w)、C02-C矿化率F(C)、和春、秋两季露地试验的实际分解率F(S)、F(A)进行比较分析,三种肥料的F(w)值均与它们的实际分解率较为接近,因此F(w)更能代表三种有机肥料的易分解比例F。运用Soil-C模型模拟三种肥料的有机碳剩余量变化结果与实际测定结果进行数据分析,二者显著相关。由此表明,Soil-C模型能较好地模拟有机种植中的土壤有机碳动态变化规律。最后,有机、常规农田土壤定位监测结果表明,有机种植方式因其大量施用有机肥和合理的农田管理措施,无论是有机种植10年(OR地块)还是有机种植7年(ZH地块),分别与监测初期相比,其土壤微生物量C和土壤有机质含量均显著性增加；然而常规种植虽然在监测初期,两项指标显著增加,但随后的几年却无显著性变化。利用Soil-C模型对有机种植方式OR地块和ZH地块的土壤有机碳进行模拟,模拟值与长期定位监测值仍然具有很高的相关性。利用Soil-C模型判别三种施肥方式的优劣,结果表明,油菜饼肥与商品有机肥配施较单一施用商品有机肥其土壤有机碳含量无显著性差异,但前者的肥效更高。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-17
第二章农田土壤固碳及有机农业的低碳机理研究进展  17-29
  2.1 农田土壤固碳的意义  17
  2.2 农田土壤固碳潜力的研究方法  17-21
    2.2.1 长期定位试验外推法  17-18
    2.2.2 土壤有机质(SOM)模型模拟法  18-21
      2.2.2.1 CENTURY模型  18-19
      2.2.2.2 DNDC模型  19-20
      2.2.2.3 Roth C模型  20
      2.2.2.4 SCNC模型  20-21
      2.2.2.5 Soil-C模型  21
  2.3 农田土壤有机碳分解转化的影响因素  21-23
    2.3.1 有机物料分解特性对土壤有机碳转化的影响  21-22
    2.3.2 温度对土壤有机碳转化的影响  22
    2.3.3 水分对土壤有机碳转化的影响  22-23
    2.3.4 土壤质地对土壤有机碳转化的影响  23
    2.3.5 其他土壤理化性状对土壤有机碳转化的影响  23
  2.4 农田土壤固碳的技术措施  23-25
    2.4.1 施肥方式  23-24
    2.4.2 耕作方式  24
    2.4.3 轮作  24-25
    2.4.4 土地利用方式  25
  2.5 有机农业的低碳机理  25-28
    2.5.1 有机农业与低碳农业概述  25-27
    2.5.2 有机农业的减排效应  27
    2.5.3 有机农业的增汇效应  27-28
  2.6 研究内容  28
  2.7 技术路线  28-29
第三章模型的比选及有机种植方式下模型参数的确定  29-39
  3.1 材料与方法  29-32
    3.1.1 供试材料  29-30
      3.1.1.1 供试士壤  29
      3.1.1.2 供试肥料  29-30
    3.1.2 试验设计方案  30
    3.1.3 测定方法  30-31
      3.1.3.1 CO_2-C释放量的测定  30-31
      3.1.3.2 有机肥料木质素的测定  31
      3.1.3.3 土壤及有机肥的基本性质测定  31
    3.1.4 模型及参数  31-32
      3.1.4.1 总模型的积分表达式  31-32
      3.1.4.2 子模型  32
    3.1.5 数据分析  32
  3.2 结果与讨论  32-37
    3.2.1 不同种类有机肥料分解速率的差异  32-33
    3.2.2 不同有机肥处理对土壤有机碳矿化的影响  33-34
    3.2.3 有机种植中农田土壤有机碳模拟模型的参数确定  34-35
    3.2.4 不同混施比例对有机肥分解特性的影响  35-37
  3.3 本章小结  37-39
第四章农田土壤有机碳动态模型在有机种植中的验证  39-51
  4.1 材料与方法  39-42
    4.1.1 供试基地  39
    4.1.2 供试肥料  39-40
    4.1.3 试验设计方案  40
    4.1.4 测定方法  40-41
      4.1.4.1 田间根袋法测定肥料分解率  40-41
      4.1.4.2 有机肥料残留物有机碳的测定  41
    4.1.5 模型及参数计算  41-42
      4.1.5.1 积分模型  41
      4.1.5.2 农田土壤温度计算  41-42
      4.1.5.3 农田土壤水分含量计算  42
    4.1.6 数据分析  42
  4.2 结果与讨论  42-48
    4.2.1 露地地块三种肥料的重量变化  42-43
    4.2.2 大棚地块三种肥料的重量变化  43-44
    4.2.3 三种肥料有机碳含量的变化  44-46
    4.2.4 三种有机肥料易分解比例F的确定  46-47
    4.2.5 模型的验证结果  47-48
  4.3 本章小结  48-51
第五章有机种植方式下土壤有机碳含量的预测及模型的应用  51-59
  5.1 材料与方法  51-52
    5.1.1 供试基地概况  51
    5.1.2 样品的采集和处理  51-52
    5.1.3 测定项目及方法  52
    5.1.4 数据分析  52
  5.2 结果与讨论  52-57
    5.2.1 不同种植体系土壤微生物量碳的变化  52-53
    5.2.2 不同种植体系土壤有机质的变化  53-54
    5.2.3 长期定位模拟结果的验证  54-55
      5.2.3.1 有机种植定位监测点农田管理方式概况  54
      5.2.3.2 模型参数的输入  54
      5.2.3.3 长期定位模拟结果  54-55
    5.2.4 模型的应用  55-57
  5.3 本章小结  57-59
第六章全文结论与展望  59-61
  6.1 全文结论  59-60
  6.2 本研究的创新与不足  60
    6.2.1 创新之处  60
    6.2.2 不足之处  60
  6.3 研究展望  60-61
附表  61-63
参考文献  63-71
致谢  71-73
作者简介  73

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