旱作农田土壤温室气体剖面分布及净排放对作物、氮肥和覆膜的响应

发布时间：2020-04-23 12:17

【摘要】：二氧化碳(CO_2)、氧化亚氮(N_2O)和甲烷(CH_4)是重要的温室气体,对全球气候变化产生强烈影响。旱地约占我国陆地面积70%,旱地农业对于保障我国粮食安全发挥着举足轻重的作用。旱地农业土壤是重要的温室气体排放源和吸收汇。阐明旱地农业土壤温室气体产生、消耗和排放规律及其影响因素,对于深入了解该地区温室气体源汇过程及机理并采取合理措施减缓温室气体排放具有重要意义。为探究旱作农田温室气体产生、消耗及净排放对作物、施氮和覆膜的响应,于2014和2015年在陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站安排田间试验,通过连续原位测定旱作春玉米农田0-50 cm土层CO_2、N_2O和CH_4浓度及净排放,并利用浓度梯度法计算温室气体扩散通量,以期求证假设“(1)与不种植作物相比,种植作物因通过自身根系呼吸和间接改变土壤温度、水分、养分等土壤环境,从而影响温室气体剖面分布及排放”;“(2)施氮与覆膜通过调控玉米生长,进一步影响温室气体剖面分布及排放,并因作物生育期不同而异”的真伪,回答旱作农田土壤温室气体剖面分布及净排放对作物、施氮和覆膜的响应规律。取得的主要进展有:(1)与不种植作物相比(不种植玉米+不施氮:C0;不种植玉米+施氮:CN),种植玉米(种植玉米+不施氮:P0;种植玉米+施氮:PN)降低了玉米生育期10-50cm各土层温度,土壤孔隙含水量(WFPS)和0-20 cm土层矿质氮含量,并显著增加了0-20 cm各土层气体相对扩散系数。施氮显著增加了玉米叶面积指数、地上部干物质,吸氮量以及产量。在2014和2015年,与P0处理相比,PN处理分别显著降低了0-20 cm和0-50 cm各土层生育期平均土壤WFPS,并显著增加了0-10 cm和10-20 cm土层气体相对扩散系数。(2)土壤剖面10-50 cm各土层CO_2浓度和扩散通量随玉米生长而产生季节变化。种植玉米显著增加10-50 cm各土层CO_2浓度和扩散通量。在2015年,种植玉米时施氮显著降低了0-30 cm各土层CO_2浓度。在2014和2015年,不种植玉米时施氮对土壤CO_2扩散通量无显著影响;种植玉米时施氮分别增加了玉米生育期0-50 cm土层植物源累积CO_2扩散通量19%和20%,从而增加0-50cm土层总CO_2累积扩散通量4%(P0.05)和14%(P0.05)。各土层植物源对土壤总CO_2扩散通量贡献比例随玉米生长而发生动态变化。P0和PN处理0-50 cm整个剖面两年植物源CO_2累积扩散通量贡献比例平均值分别为0.46和0.51。(3)土壤剖面N_2O浓度高峰主要出现在大雨之后;土壤表面N_2O排放高峰主要出现在施肥和降雨之后;土壤水分和温度是影响土壤N_2O剖面分布和表面排放的关键因子。施氮显著增加了0-50 cm各土层N_2O浓度和及净排放。由于玉米生长降低了土壤含水量而不利于N_2O产生,在2014和2015年,施氮时种植玉米分别显著降低了生育期N_2O累积净排放9%和15%和0-10 cm土层N_2O累积扩散通量18%。0-10 cm土层扩散通量和静态箱法测定的N_2O排放速率时间变化规律一致。然而,当N_2O排放速率较高时,浓度梯度法和静态箱法存在较大差异,原因主要是最接近地表10 cm处气体采集器不能监测到10 cm以上区域N_2O产生和消耗过程。(4)土壤剖面CH_4扩散速率受玉米生长影响呈现季节变化。0-20 cm土层CH_4累积扩散通量占0-50 cm土层总CH_4扩散通量49%-58%。土壤表面CH_4净吸收速率与土壤温度和WFPS分别呈显著正相关和负相关。2014和2015年,与不种植作物相比,种植玉米显著增加玉米生育期0-30 cm各土层CH_4累积扩散通量以及表面净吸收。原因主要是玉米生长通过消耗土壤水分提高气体扩散系数而促进CH_4吸收。不种植玉米时施氮对土壤剖面CH_4浓度、扩散通量和表面净吸收均无显著影响。种植玉米时施氮在两年分别显著增加了玉米生育期CH_4累积净吸收9%和15%,以及0-10 cm和0-40 cm各土层CH_4累积扩散通量。这主要是由于施氮通过改变土壤含水量而影响甲烷吸收。(5)不种植玉米时,与不覆盖(CNM)相比,地膜覆盖(CNM)在生长季整体增加了0-50 cm各土层温度。种植玉米时,地膜覆盖(PNM)主要增加了播种期到6月底之间土壤温度。覆膜显著增加0-50 cm土壤WFPS。覆膜使玉米出苗和生育期提前。不种植玉米时覆膜增加了整个生长季土壤剖面CO_2浓度和累积排放;种植玉米时覆膜主要增加了从播种期到8月底之间土壤剖面CO_2浓度和CO_2净排放速率。覆膜显著增加10-50 cm各土层N_2O浓度,并显著增加两年生育期平均N_2O累积排放量12%-38%。在2014和2015年,不种植玉米时覆膜分别显著降低生育期土壤表面CH_4累积吸收量19%和26%,并显著降低了10-30cm各土层CH_4浓度;种植玉米时覆膜分别显著降低了生育期土壤表面CH_4累积吸收量18%和27%,并显著降低了10-20 cm和10-50 cm各土层CH_4浓度。(6)通过两季田间试验,总体上获得了与假设相符的研究结论。种植玉米会显著增加10-50 cm各土层CO_2浓度、扩散通量及表面净排放。施氮主要通过增加玉米生育后期植物源CO_2扩散通量而增加0-50 cm土层CO_2累积扩散通量。在不种植玉米条件下,覆膜显著增加了整个生育期10-50 cm各土层CO_2浓度和表面净排放;在种植玉米条件下,覆膜主要增加了播种期至8月中旬土壤剖面CO_2浓度和表面净排放。种植玉米主要通过降低土壤水分而降低10 cm土层N_2O浓度、扩散通量及表面净排放。施氮和覆膜均能够显著增加10-50 cm各土层N_2O浓度和表面净排放。种植玉米通过降低土壤水分而增加10-30 cm土层CH_4扩散通量和净吸收,并且主要发生在拔节期以后。施氮通过促进玉米生长进一步降低土壤水分和增加CH_4吸收。覆膜因增加土壤水分和物理阻隔作用降低10-30 cm土层CH_4浓度和表面净吸收。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S513;S154.1

【参考文献】