生物质炭对水稻生长与稻田甲烷排放效应的影响及其机理研究

【摘要】：水稻是我国最重要的粮食作物,其生产在粮食安全中占了举足轻重的地位。然而,近年来,自然和人为因素所造成的土壤退化问题正逐渐威胁我国粮食安全。传统的秸秆还田模式,虽然可以提高土壤肥力,改良土壤性质,但是也造成了温室气体CH4的大量排放。许多研究表明生物质炭具有促进水稻生长和抑制温室气体CH4排放的巨大潜力。然而,目前有关生物质炭输入对中低产地改良和土壤CH4排放控制的机理研究主要是基于生物质炭一次性高剂量还田的短期实验。对于低剂量等量秸秆还田模式下生物质炭输入对稻田土壤性质和温室气体排放效应的影响及其机制机理未见相关报导。本论文以水稻秸秆生物质炭和竹炭为试材,分别考察了生物质炭高剂量和低剂量两种还田模式对土壤性质、水稻生长以及土壤温室气体CH4排放效应的影响；并通过常规检测手段和分子生物学技术,探讨了相关增产减排的机制机理。论文主要研究结果如下：1、通过5年的大田实验,对比分析了一次性高剂量水稻秸秆生物质炭和竹炭输入对稻田土壤性质和水稻产量的长期影响。结果发现,一次性高剂量生物质炭还田模式(22.5 tha-1)下,水稻秸秆生物质炭输入对稻田土壤改良和水稻增产的效果显著优于竹炭。与对照相比,一次性高剂量秸秆炭化还田可以在秸秆炭施加后的前2年分别显著增加13.5%和6.1%的水稻产量。水稻秸秆生物质炭具有的高pH、CEC和营养物质(K和P)是产生这种效果的主要原因。但是,这种效果会随着生物质炭还田时间的延长而逐年减弱,表明一次性高剂量生物质炭还田模式对土壤改良短期效果明显,然而存在长期不可持续性。2、通过2年的大田实验,对比分析了等量秸秆炭化还田(2.8 tha-1)和秸秆全量还田(8 t ha-1)对稻田土壤性质和水稻产量的影响。结果发现,与对照相比,低剂量等量秸秆炭化还田可以显著提高水稻产量,其中第一年增产7.6%,第二年增产10.7%。秸秆全量还田对土壤改良和水稻增产的效果没有低剂量等量秸秆炭化还田显著。Spearman相关性分析表明,低剂量的秸秆炭化还田对水稻的增产作用,主要是通过提高土壤有机碳和土壤有效K和P的含量,降低土壤有效Al含量引起。虽然,每年低剂量等量秸秆炭化还田模式的还田量只有一次性高剂量秸秆炭化还田模式的1/10,但是其对水稻增产可能具有长期可持续性。3、通过大田实验,探究了低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤CH4排放效应的影响及其微生物学机理。结果发现,与秸秆全量还田相比,低剂量等量秸秆炭化还田可以显著抑制稻田土壤CH4排放,其中第一年减排80.9%,第二年减排87.9%。Q-PCR结果显示,与秸秆全量还田相比,低剂量等量秸秆炭化还田可以抑制稻田土壤产甲烷菌16S rRNA基因丰度,促进稻田土壤甲烷氧化菌pmoA基因丰度。进一步的454高通量测序结果则表明,与秸秆全量还田相比,低剂量等量秸秆炭化还田可以显著降低稻田土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的多样性,显著抑制稻田土壤乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcina和Methanosaeta的百分比,降低稻田氢营养型产甲烷菌Methanobacterium和Methanospirillum的百分比。因此,低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤CH4排放的抑制效应,很大程度上来源于对稻田产甲烷菌的抑制作用和对稻田甲烷氧化菌的促进作用。 【关键词】：生物质炭 稻田土壤 甲烷减排 水稻产量
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S511
【目录】：

• 致谢6-11
• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 引言15-16
• 1.2 我国农田土壤存在的主要问题16-17
• 1.2.1 土壤退化问题日益严重16-17
• 1.2.2 农田CH_4排放巨大17
• 1.3 秸秆直接还田的环境效应17-19
• 1.3.1 我国秸秆资源和利用现状17-18
• 1.3.2 秸秆直接还田对作物产量的影响研究18-19
• 1.3.3 秸秆还田对稻田CH_4排放的影响研究19
• 1.4 生物质炭在农业环境中的应用研究进展19-25
• 1.4.1 生物质炭的基本理化性质19-20
• 1.4.2 生物质炭输入对土壤质量的影响20-24
• 1.4.3 生物质炭输入对土壤温室气体排放的影响24-25
• 1.5 现有研究存在的问题25
• 1.6 研究意义、研究目标和研究内容25-28
• 1.6.1 研究意义25-26
• 1.6.2 研究目标26
• 1.6.3 研究内容26-28
• 第二章 一次性高剂量生物质炭输入对稻田土壤理化性质和水稻生长的影响28-57
• 2.1 引言28-29
• 2.2 试验设计和田间管理29-32
• 2.2.1 试验地概况和实验材料29-31
• 2.2.2 实验准备和设计31-32
• 2.3 测定项目和方法32
• 2.3.1 试验样品的采集和处理32
• 2.3.2 土壤pH和CEC的测定32
• 2.3.3 土壤总C和总N的测定32
• 2.3.4 土壤有效态营养元素的测定32
• 2.4 数据处理和统计分析32-33
• 2.5 结果与讨论33-56
• 2.5.1 一次性高剂量生物质炭输入对稻田土壤pH的影响33-34
• 2.5.2 一次性高剂量生物质炭输入对稻田土壤CEC的影响34-35
• 2.5.3 一次性高剂量生物质炭输入对稻田土壤总C和总N的长期影响35-37
• 2.5.4 一次性高剂量生物质炭输入对稻田土壤营养元素有效含量的影响37-45
• 2.5.5 一次性高剂量生物质炭输入对水稻生长的影响45-50
• 2.5.6 水稻产量与土壤理化性质相关性分析50-54
• 2.5.7 生物质炭还田对水稻产量长期影响的机理分析54-56
• 2.6 本章小结56-57
• 第三章 低剂量等量秸秆炭化还田对水稻生长的影响研究57-82
• 3.1 引言57-58
• 3.2 试验设计和田间管理58-60
• 3.2.1 试验地概况和实验材料58-59
• 3.2.2 实验准备和设计59-60
• 3.3 测定项目和方法60
• 3.3.1 试验样品的采集和处理60
• 3.3.2 土壤pH和CEC的测定60
• 3.3.3 土壤和植物样品总C和总N含量的测定60
• 3.3.4 土壤有机碳含量的测定60
• 3.3.5 土壤有效态营养元素含量的测定60
• 3.3.6 水稻叶片相对叶绿素含量的测定60
• 3.4 数据处理和统计分析60-61
• 3.5 结果与讨论61-81
• 3.5.1 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤pH的影响61-62
• 3.5.2 低剂量等量秸秆炭化还田对土壤CEC的影响62-63
• 3.5.3 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤有机碳的影响63-65
• 3.5.4 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤总N的影响65-66
• 3.5.5 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤营养元素有效含量的影响66-73
• 3.5.6 低剂量等量秸秆炭化还田对水稻生长的影响73-76
• 3.5.7 水稻产量与土壤理化性质相关性分析76-80
• 3.5.8 低剂量等量秸秆炭化还田模式与一次性大剂量秸秆炭化还田模式的对比分析80-81
• 3.6 本章小结81-82
• 第四章 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田CH_4排放的影响及其机理研究82-119
• 4.1 引言82-83
• 4.2 试验设计和样品采集83
• 4.2.1 试验设计和田间管理83
• 4.2.2 实验样品的采集和处理83
• 4.3 测定项目和方法83-89
• 4.3.1 稻田CH_4气体的测定83-84
• 4.3.2 土壤产甲烷活性和甲烷氧化活性的测定84
• 4.3.3 土壤可溶性有机碳的测定84
• 4.3.4 土壤样品基因组总DNA提取84-85
• 4.3.5 荧光定量PCR85-86
• 4.3.6 Roche 454高通量测序86-89
• 4.4 结果与讨论89-117
• 4.4.1 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田CH_4排放的影响89-90
• 4.4.2 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田CH_4排放总量的影响90-91
• 4.4.3 低剂量等量秸秆炭化还田对稻田土壤可溶性有机碳(DOC)的影响91-93
• 4.4.4 低剂量等量秸秆炭化还田对土壤产甲烷活性和甲烷氧化活性的影响93-95
• 4.4.5 低剂量等量秸秆炭化还田对土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度的影响95-99
• 4.4.6 CH_4排放通量、环境参数和功能基因之间的相关性分析99-101
• 4.4.7 产甲烷菌群落结构454高通量测序分析101-109
• 4.4.8 甲烷氧化菌群落结构454高通量测序分析109-114
• 4.4.9 稻田产甲烷菌群落结构与土壤理化性质之间的联系114-116
• 4.4.10 低剂量等量秸秆炭化还田减少稻田CH_4排放的机理分析116-117
• 4.5 本章小结117-119
• 第五章 研究结论、创新点和展望119-122
• 5.1 研究结论119-120
• 5.2 主要创新点120
• 5.3 研究展望120-122
• 参考文献122-135
• 功读博士期间取得的科研成果和奖励135

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