秸秆还田下稻田温室气体排放及其对水分管理的响应

【摘要】：大气温室气体浓度持续升高而导致全球气候变暖是当前广受关注的环境问题。稻田是大气温室气体的重要排放源,受到广大农业环境科学家的重视。本研究以我国亚热带地区稻田生态系统为研究对象,采用田间小区试验研究了不同秸秆还田量和不同水分管理方式下稻田CH4和N2O的排放特征,土壤-水稻系统呼吸特征和土壤异养呼吸特征；采用室内恒温培养试验研究了外加不同有机物料对温室气体排放的影响,初步揭示了稻草还田后温室气体产生的机理。主要研究结果如下： (1)高量秸秆还田(6t.hm-2)且长期淹水处理CH4的累积排放量是无秸秆还田且长期淹水处理的4.7倍,高量秸秆还田且间歇灌溉处理和低量秸秆还田(3t·hm-2)且间歇灌溉处理CH4的累积排放量分别是无秸秆还田且间歇灌溉处理的8.8和4.8倍；无秸秆还田且长期淹水处理CH4的累积排放量是无秸秆还田且间歇灌溉处理的2.7倍,高量秸秆还田且长期淹水处理CH4的累积排放量是高量秸秆还田且间歇灌溉处理的1.2倍(以下数据均为三个稻季的均值)；烤田不仅减少了烤田期间CH4排放量,而且还减少烤田后复水期间CH4的排放。无秸秆还田时,在烤田期间和烤田后复水期间,烤田比不烤田减少了57.6%和86.3%的CH4排放,高量秸秆还田时则减少了14.1%和81.7%的CH4排放。无秸秆还田且长期淹水处理、无秸秆还田且间歇灌溉处理、低量秸秆还田且间歇灌溉处理、高量秸秆还田且间歇灌溉处理和高量秸秆还田且长期淹水处理在分蘖期CH4的排放量分别占全生育期排放量的34.2%、56.9%、72.2%、73.6%和62.8%；各处理在有水稻种植时CH4的排放量分别为无水稻种植时的3.1、2.4、1.4、2.2和1.9倍；CH4排放与稻田环境因子(土壤温度和水层深度)、土壤因子和生物因子关系密切。 (2)在有水稻种植时,高量秸秆还田且长期淹水处理N20的累积排放量是无秸秆还田且长期淹水处理的36.8%,高量秸秆还田且间歇灌溉处理、低量秸秆还田且间歇灌溉处理处理N20的累积排放量分别是无秸秆还田且间歇灌溉处理的47.0%和70.5%；无秸秆还田且长期淹水处理N2O的累积排放量是无秸秆还田且间歇灌溉处理的77.0%,高量秸秆还田且长期淹水处理N20的累积排放量是高量秸秆还田且间歇灌溉处理的60.8%；无水稻种植时,高量秸秆还田且长期淹水处理N20的累积排放量是无秸秆还田且长期淹水处理的166.0%,高量秸秆还田且间歇灌溉处理和低量秸秆还田且间歇灌溉处理N2O的累积排放量分别是无秸秆还田且间歇灌溉的93.0%和74.9%；高量秸秆还田且长期淹水处理N20的累积排放量是无秸秆还田且间歇灌溉处理的12.4%,高量秸秆还田且长期淹水处理N20的累积排放量是高量秸秆还田且间歇灌溉处理的26.3%；相对于不烤田,烤田既增加了烤田期间N20的排放量,也增加了烤田后复水期间N20的排放。各稻季N20的排放主要集中在水稻生长的分蘖期、拔节期和完熟期；无水稻种植时,各处理N20排放量分别为有水稻种植时对应处理的1.2、7.4、10.2、24.2和5.0倍；N20排放与稻田环境因子(土壤温度和水层深度)和土壤因子关系密切。 (3)高量秸秆还田且长期淹水处理土壤-水稻系统总呼吸量是无秸秆还田且长期淹水处理的1.2倍,高量秸秆还田且间歇灌溉处理和低量秸秆还田且间歇灌溉处理分别是无秸秆还田且间歇灌溉处理的1.02和0.98倍；无秸秆还田且长期淹水处理是无秸秆还田且间歇灌溉处理的0.91倍,高量秸秆还田且长期淹水处理是高量秸秆还田且间歇灌溉处理的1.05倍；高量秸秆还田且长期淹水处理土壤异养呼吸量是无秸秆还田且长期淹水处理的1.81倍,高量秸秆还田且间歇灌溉处理和低量秸秆还田且间歇灌溉处理分别是无秸秆还田且间歇灌溉处理的1.36和1.08倍；无秸秆还田且长期淹水处理是无秸秆还田且间歇灌溉处理的0.65倍,高量秸秆还田且长期淹水处理是高量秸秆还田且间歇灌溉处理的0.83倍；一般来说,烤田既增加了烤田期间土壤异养呼吸量,也增加了烤田后复水期间土壤异养呼吸量；三个稻季,各处理土壤-水稻系统总呼吸量分别为土壤异养呼吸量的6.5、4.5、4.2、3.5和4.3倍；土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率与土壤温度、水层深度等环境因子关系密切；土壤-水稻系统总呼吸量与水稻地上部分和地下部分生物量均呈极显著正相关；土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率均与土壤DOC含量呈显著或极显著正相关。 (4)水分管理和秸秆还田对各稻季各处理间水稻产量的影响不显著；水分管理影响土壤异养呼吸和水稻净初级生产力,从而影响稻田生态系统与大气间CO2的净交换量的大小,是影响稻田NEE值的主导因素；秸秆还田对NGHGE和GHGI有显著或极显著的影响,是影响NGHGE和GHGI的主导因素；从年度时间尺度来看,各处理稻田均没有增加温室气体的净排放。 (5)添加原稻草处理CH4累积排放量最高,对土壤原有有机碳转化成CH4的激发效应大；添加腐熟稻草、去除低分子有机物的稻草和低分子有机物的各处理CH4的累积排放量明显高于不添加有机物料处理,对土壤原有有机碳转化成CH4都产生激发效应；CH4排放量与土壤质地密切相关；添加原稻草处理CO2累积排放最高,稻草对土壤原有有机碳分解的激发效应大；添加低分子有机物处理CO2的累积排放量高于不添加有机物料处理,对土壤原有有机碳的分解产生·一定的激发效应；添加腐熟稻草和去除低分子有机物处理CO2的累积排放量和不添加有机物料处理无明显差异,对土壤原有有机碳分解的激发效应不明显；添加含低分子有机物的外源有机物料比添加纤维素等单一物质产生的激发效应大,土壤有机碳的分解对不同外源物料激发效应的响应不同；CO2的产生主要集中在稻草中易分解物质的快速分解阶段；在稻草中易分解物质的快速分解阶段和难分解物质的缓慢分解阶段,均有CH4产生,但以快速分解阶段产生为主。不添加有机物料处理N2O的累积排放量最高,添加各种有机物料减少了N2O的累积排放量,N2O累积排放量的减少程度与土壤质地密切相关；CH4、N2O和CO2的累积排放量与土壤因子关系密切。因土壤不同与各土壤因子的相关关系存在差异。 【关键词】：稻田 温室气体 秸秆还田 水分管理 二氧化碳净交换 温室气体净排放 温室气体排放强度 有机物料
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S154.1
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-17
• 第一章 绪论17-39
• 1 研究目的与意义17-18
• 2 国内外研究进展18-37
• 2.1 中国稻田的分布、分类及温室气体排放量18-21
• 2.1.1 中国稻田的分布、分类18
• 2.1.2 全球大气温室气体来源情况估算18-19
• 2.1.3 中国稻田温室气体的排放量19-21
• 2.2 稻田秸秆还田条件下的温室气体排放21
• 2.3 水分管理对稻田温室气体排放的影响21-27
• 2.3.1 水分管理对稻田CH_4产生、氧化及排放的影响21-25
• 2.3.2 水分管理对稻田N_2O产生及排放的影响25-27
• 2.4 稻田温室气体排放的其它影响因素27-37
• 2.4.1 稻田CH_4排放的其它影响因素27-31
• 2.4.2 稻田N_2O排放的其它影响因素31-33
• 2.4.3 CO_2的产生机理和土壤呼吸的影响因素33-37
• 3 研究目标、研究内容和技术路线37-39
• 3.1 研究目标37
• 3.2 研究内容37-38
• 3.2.1 不同水分管理方式下秸秆还田稻田温室气体排放37
• 3.2.2 不同水分管理方式下秸秆还田稻田土壤因子、环境因子和生物因子动态及与温室气体排放的关系37-38
• 3.2.3 秸秆还田对水稻土温室气体排放的影响及机理38
• 3.3 技术路线38-39
• 第二章 研究方案与研究方法39-49
• 1 试验地概况39
• 2 试验方案39-48
• 2.1 田间小区试验方案39-44
• 2.1.1 试验设计与方法39-41
• 2.1.2 样品的采集41-43
• 2.1.3 环境因子观测43
• 2.1.4 样品分析测定指标43
• 2.1.5 样品的分析方法43-44
• 2.2 室内培养试验方案44-48
• 2.2.1 供试土壤和有机物料44-46
• 2.2.2 试验设计与方法46-47
• 2.2.3 样品采集方法47
• 2.2.4 样品分析测定指标47-48
• 2.2.5 样品分析方法48
• 3 数据统计与分析方法48-49
• 第三章 不同水分管理方式下秸秆还田稻田CH_4的排放49-73
• 1 前言49
• 2 材料与方法49
• 3 结果与分析49-68
• 3.1 不同水分管理方式下秸秆还田稻田CH_4的排放49-59
• 3.1.1 各稻季CH_4通量的季节性变化49-51
• 3.1.2 各稻季不同处理CH_4排放的平均通量和累积排放量51-53
• 3.1.3 水稻不同生育期CH_4通量的平均值53-55
• 3.1.4 水稻不同生育期CH_4的排放量55-56
• 3.1.5 水稻烤田期间和烤田后复水期间各处理CH_4排放量56-57
• 3.1.6 非水稻种植区CH_4的通量和累积排放量57-59
• 3.2 稻田土壤因子的动态变化及与CH_4通量的关系59-65
• 3.2.1 土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)含量的动态变化59-60
• 3.2.2 土壤铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量的动态变化60-62
• 3.2.3 土壤可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)含量的动态变化62-63
• 3.2.4 土壤pH的动态变化63-64
• 3.2.5 CH_4通量与土壤因子的关系64-65
• 3.3 CH_4通量与稻田环境因子的关系65-66
• 3.3.1 CH_4通量与土壤氧化还原电位(Eh)的关系65
• 3.3.2 CH_4通量与土壤5 cm深温度的关系65-66
• 3.3.3 CH_4通量与水层深度的关系66
• 3.4 CH_4累积排放量与水稻生物量的关系66-68
• 4 讨论68-72
• 4.1 水分管理与秸秆还田对CH_4排放的影响68-69
• 4.2 土壤因子对CH_4排放的影响69-70
• 4.3 氧化还原电位、土壤温度和水层深度对CH_4排放的影响70-71
• 4.4 水稻植株对CH_4排放的影响71-72
• 5 小结72-73
• 第四章 不同水分管理方式下秸秆还田稻田N_2O的排放73-91
• 1 前言73
• 2 材料与方法73
• 3 结果与分析73-85
• 3.1 不同水分管理方式下秸秆还田稻田N_2O的排放74-83
• 3.1.1 各稻季N_2O通量的季节性变化74-75
• 3.1.2 各稻季不同处理N_2O排放的平均通量和累积排放量75-77
• 3.1.3 水稻不同生育期N_2O通量的平均值77-78
• 3.1.4 水稻不同生育期N_2O的排放量78-80
• 3.1.5 水稻烤田期间和烤田后复水期间各处理N_2O排放量80-81
• 3.1.6 非水稻种植区N_2O的通量和累积排放量81-83
• 3.2 N_2O通量与稻田土壤因子的关系83
• 3.3 N_2O通量与稻田环境因子的关系83-85
• 3.3.1 N_2O通量与土壤5cm深温度的关系83-84
• 3.3.2 N_2O通量与水层深度的关系84-85
• 4 讨论85-89
• 4.1 水分管理与秸秆还田对N_2O排放的影响85-87
• 4.2 土壤因子对N_2O排放的影响87-88
• 4.3 土壤温度对N_2O排放的影响88-89
• 4.4 水稻植株对N_2O排放的影响89
• 5 小结89-91
• 第五章 不同水分管理方式下秸秆还田稻田土壤异养呼吸91-109
• 1 前言91
• 2 材料与方法91-92
• 3 结果与分析92-104
• 3.1 不同水分管理方式下秸秆还田稻田土壤-水稻系统总呼吸和土壤异养呼吸的特征92-100
• 3.1.1 各稻季土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率的季节性变化92-95
• 3.1.2 水稻烤田期间和烤田后复水期间各处理土壤异养呼吸量95-96
• 3.1.3 各稻季不同处理土壤-水稻系统总呼吸速率的平均值和累积呼吸量96-98
• 3.1.4 各稻季不同处理土壤异养呼吸速率的平均值和累积呼吸量98-100
• 3.2 土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率与稻田土壤因子的关系100-101
• 3.3 土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率与稻田环境因子的关系101-103
• 3.3.1 土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率与土壤5cm深温度的关系101-102
• 3.3.2 土壤-水稻系统总呼吸速率和土壤异养呼吸速率与水层深度的关系102-103
• 3.4 土壤-水稻系统总呼吸量与水稻生物量的关系103-104
• 4 讨论104-108
• 4.1 水分管理与秸秆还田对土壤-水稻系统总呼吸和土壤异养呼吸的影响104-106
• 4.2 土壤因子对土壤-水稻系统总呼吸和土壤异养呼吸的影响106-107
• 4.3 土壤温度和水层深度对土壤-水稻系统总呼吸和土壤异养呼吸的影响107
• 4.4 水稻植株对土壤-水稻系统总呼吸的影响107-108
• 5 小结108-109
• 第六章 亚热带稻田生态系统CO_2的净交换量(NEE)、温室气体净排放(NGHGE)和温室气体排放强度(GHGI)的初步估算109-119
• 1 前言109
• 2 材料与方法109-110
• 3 结果与分析110-116
• 3.1 不同水分管理方式下秸秆还田稻田NEE估算110-112
• 3.2 不同水分管理方式下秸秆还田稻田各处理水稻产量112
• 3.3 不同水分管理方式下秸秆还田稻田各处理NGHGE112-113
• 3.4 不同水分管理方式下秸秆还田稻田各处理GHGI113-114
• 3.5 不同水分管理方式下秸秆还田稻田全年水稻产量114-115
• 3.6 不同水分管理方式下秸秆还田稻田全年NGHGE和GHGI115-116
• 4 讨论116-118
• 4.1 水分管理和秸秆还田与R_H、NPP、NEE及水稻产量的关系116-117
• 4.2 水分管理和秆还田与NGHGE及GHGI的关系117-118
• 5 小结118-119
• 第七章 不同有机物料输入对水稻土温室气体排放的影响119-141
• 1 前言119
• 2 材料与方法119
• 3 结果与分析119-135
• 3.1 添加不同有机物料后水稻土中CH_4排放特征119-122
• 3.2 添加不同有机物料后水稻土中CO_2排放特征122-124
• 3.3 添加不同有机物料后水稻土中N_2O排放特征124-126
• 3.4 添加不同有机物料后土壤NH_4~+-N和NO_3~--N含量的动态变化126-128
• 3.5 添加不同有机物料后土壤SMBC和SMBN含量的动态变化128-130
• 3.6 添加不同有机物料后土壤DOC和DON含量的动态变化130-132
• 3.7 添加不同有机物料后土壤pH的动态变化132-133
• 3.8 添加不同有机物料后土壤Eh的动态变化133-134
• 3.9 温室气体排放速率与土壤因子的关系134-135
• 4 讨论135-139
• 4.1 添加有机物料对CH_4排放的影响135-137
• 4.2 添加有机物料对CO_2排放的影响137-138
• 4.3 添加有机物料对N_2O排放的影响138-139
• 5 小结139-141
• 第八章 主要研究结论和创新点141-144
• 1 主要研究结论141-142
• 2 主要创新点142-143
• 3 存在的不足143-144
• 参考文献144-162
• 致谢162-164
• 个人简介164
• 获奖情况164-165
• 攻读学位期间参与和主持的科研项目与论文发表情况165

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成都平原麦稻双免耕秸秆还田技术模式    汤永禄;黄钢;郑家国;李朝苏;邓先和;付书明;

酵素菌在秸秆还田中的应用研究    朱绍林;乔红梅;姜晓清;周明;

玉米秸秆安全还田方法的研究    刘武仁;郑金玉;冯艳春;刘凤成;罗洋;邱贵春;蔡红岩;

作物秸秆还田对改善土壤生态环境的研究    何建新;王志进;朱建桦;张晓建;严玉娟;

浅论农业秸秆生物质能源综合利用的技术途径    袁梅;

提高秸秆综合利用率 减少环境污染    樊旭;

耕作方式和秸秆还田对直播稻田土壤碳固定及其产量的影响    段华平;牛永志;李凤博;卞新民;

推行绿色技术 发展低碳农业    任小平;孙达义;

秸秆还田稻田严防硫化氢危害    水清

今秋明春四川秸秆还田百万亩    通讯员 彭福智 记者 邓万祥

我区力推秸秆还田沃土工程技术    记者　宋春风 通讯员　陈彦毅

省农垦六成麦地秸秆还田    王戴群记者 孙全龙

大荣集团氰胺化钙变身催腐剂    梁建统

9.2万亩棉花实施秸秆还田    通讯员 刘世全

应大力推广秸秆还田技术    安徽凤阳县 田益全

驿城区农机局抓好玉米机收和秸秆还田工作    本刊记者 吕磊通讯员 胡军锋

清洁 节能 省钱    本报记者 韩光亮　通讯员 庄君 姜龙金 刘瑞华

全市秸秆还田将达100万亩    刘璇　陈志奎

秸秆还田下稻田温室气体排放及其对水分管理的响应    汤宏

小麦/玉米轮作条件下秸秆还田钾素效应研究    王志勇

减缓华中典型双季稻田温室气体排放强度措施的研究    秦晓波

黄土高原农田综合地力及碳汇特征对连续多年玉米秸秆全量还田的响应    慕平

水旱轮作条件下秸秆还田的培肥和增产效应    武际

寒地稻作不同灌溉模式的节水及温室气体排放效应试验研究    朱士江

基于试验与模型的C、N循环研究    潘志勇

长期施钾对北方典型土壤钾素及作物产量、品质的影响    谭德水

稻麦两熟制不同耕作栽培方式对农田生态环境和周年生产力的影响    刘世平

多熟复种稻田土壤耕作和秸秆还田的效应研究    陈冬林

周年秸秆还田与土壤耕作对水稻产量、品质及稻季温室气体排放的影响    王子臣

高产农田生态系统不同秸秆还田模式和施肥水平对作物生长的影响研究    赵彩霞

吉林省雨养农业区玉米秸秆还田机械化耕作技术研究    李万良

秸秆还田条件下稻麦生产密肥调控技术研究    吴延华

双辊秸秆还田旋耕机的研制开发    刘小伟

秸秆还田和氮肥施用对夏玉米生育及产量影响的研究    霍竹

稻田保护性耕作对土壤水分及作物产量的影响研究    卿明福

不同耕作方式和稻草还田量对晚稻生长发育与土壤肥力的影响    卜毓坚

秸秆还田农户意愿与机械作业收益实证研究    李建政

秸秆还田对宁南旱作农田土壤理化性状及作物产量的影响    路文涛