不同秸秆还田方式与秸秆生物炭施用对农田温室气体排放和土壤固碳的影响

【摘要】：随着我国粮食产量的增加,每年产生的作物秸秆也不断增多。秸秆还田是有效利用农业资源的重要措施,不仅能解决农业废弃物处理问题,还能一定程度上提高土壤肥力、改善作物生产力。但目前所推行的秸秆还田方式如粉碎混施还田、表面覆盖等,可能会造成耕地质量不好、影响作物出苗及温室气体排放量增加等问题。为了应对全球气候变化、减少农田温室气体排放,在农业生产中必须优化秸秆还田模式、发展新的秸秆还田途径。本论文分别研究了秸秆集中沟埋还田与秸秆生物炭施用对农田土壤固碳和温室气体排放的影响,共包括3个试验：(1)大田试验,从2008年小麦季开始,在江苏南通开展了秸秆集中沟埋还田技术的研究,即前茬作物收割后在田间按一定的间距挖一定深度的沟,将秸秆均匀掩埋于沟中。分别设置埋深20 cm、埋深30 cm、埋深40 cm等处理,经过四年稻麦秸秆连续沟埋还田后,对该技术的土壤碳汇进行评估；(2)大田试验,于2010年小麦季和2011年水稻季分别在上海崇明岛进行秸秆集中沟埋还田试验,通过设置常规混施还田、埋深20 cm、埋深40 cm、埋深60 cm等还田处理,对秸秆还田当季及后季的CO2、CH4和N2O排放进行监测,并考察了麦田土壤容重、稻麦田土壤有机碳、氮含量等；(3)大田试验,于2011年棉花季在新疆通过设置不同施肥方式(常规施肥、常规施肥+生物炭)和灌溉方式(沟灌、滴灌),研究了两者对棉田生态系统CH4和N2O排放的影响。主要研究结果如下：1.秸秆集中沟埋还田改良了土壤物理性状。秸秆集中沟埋还田降低了秸秆所在层及附近土壤层的容重,并增加了相应土壤层的非毛管孔隙度、毛管孔隙度以及总孔隙度,从而显著改善了土壤物理性状。与无秸秆还田相比,集中沟埋还田秸秆所在层及附近土壤层的容重显著降低3.40%～21.10%,总孔隙度显著增加3.05%-22.15%。2.秸秆还田一定时间后,秸秆集中沟埋还田增加了土壤碳库管理指数。常规秸秆还田处理的有机碳、易氧化有机碳、碳库管理指数在秸秆还田一年半内相对较高,随后逐渐降低并低于集中沟埋还田处理。而集中沟埋还田的碳库管理指数则随着时间的推移呈现缓慢增加的趋势。小麦秸秆还田两年后,集中沟埋20 cm处理的碳库管理指数较无秸秆还田、沟埋60 cm处理分别显著增加4.27%和3.88%。3.秸秆集中沟埋还田可以减少稻麦轮作田温室气体排放强度。与常规秸秆还田相比,秸秆集中沟埋还田可以减少温室气体的排放,并且随着还田深度的加深,温室气体排放呈现减少的趋势。水稻秸秆埋深为40cm和60cm时,单位产量增温潜势(GWP)相比常规秸秆还田分别显著减少13.33%和14.04%。4.秸秆集中沟埋还田技术能显著增加土壤碳汇,具有良好的生态经济价值。秸秆集中沟埋还田技术能显著增加土壤有机碳含量和土壤固碳量,尤其是靠近秸秆的土壤层。该技术还能延缓秸秆腐解速率、增加秸秆固碳量。集中沟埋20cm处理的0-30 cm土层、沟埋30 cm处理的0-40 cm土层以及沟埋40 cm处理的0-50 cm土层的土壤碳汇较无秸秆还田处理的相应土层分别增加了40.43%、32.54%和33.35%。秸秆集中沟埋还田具有良好的土壤碳汇生态经济价值,每年能额外获得的减排收入为1.50-1.68万元·ha-1。5.秸秆生物炭施用能减少棉田N2O排放量、增加CH4排放量。生物炭施用降低了棉田N2O累积排放量,沟灌方式下生物炭的施用使N2O累积排放量显著降低28.82%。施用生物炭处理的CH4累积排放量高于无生物炭施用的处理。生物炭的施用对单位产量GWP影响不显著,但沟灌方式下的单位产量GWP值显著大于滴灌方式下。综上所述,秸秆集中沟埋还田可以增加稻麦轮作田土壤碳汇,减少温室气体的排放,具有良好的生态经济价值。另外,秸秆生物炭的施用对棉田单位产量GWP影响不显著,但滴灌方式能显著降低单位产量GWP值。 【关键词】：秸秆集中沟埋还田 秸秆生物炭 土壤固碳 温室气体 稻麦轮作田 棉田
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S141.4
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 引言12-30
• 1.1 研究背景12-15
• 1.1.1 全球气候变化与温室效应12
• 1.1.2 秸秆利用与温室效应12-15
• 1.2 文献综述15-27
• 1.2.1 农田温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)排放机理15-19
• 1.2.2 农田温室气体观测方法研究19-20
• 1.2.3 秸秆还田对农田温室气体排放的影响20-23
• 1.2.4 秸秆还田对作物产量的影响23-24
• 1.2.5 秸秆还田对土壤碳库的影响24-25
• 1.2.6 秸秆还田的温室气体减排潜力25-26
• 1.2.7 秸秆集中沟埋还田26-27
• 1.3 项目来源27-28
• 1.4 研究目的和意义28
• 1.5 研究内容28-30
• 1.5.1 研究内容28-29
• 1.5.2 技术路线29-30
• 第二章 材料与方法30-44
• 2.1 试验设计思路30
• 2.2 材料与方法30-44
• 2.2.1 上海点30-37
• 2.2.2 南通点37-40
• 2.2.3 新疆点40-44
• 第三章 不同秸秆还田方式对稻麦轮作田土壤理化性状及有机碳的影响44-66
• 3.1 秸秆还田对稻麦轮作田土壤物理性状的影响44-50
• 3.1.1 方差分析44-45
• 3.1.2 秸秆还田对土壤容重的影响45-47
• 3.1.3 秸秆还田对土壤孔隙度的影响47-50
• 3.2 秸秆还田对稻麦轮作田土壤有机碳的影响50-55
• 3.2.1 方差分析50
• 3.2.2 秸秆还田对土壤有机碳的影响50-52
• 3.2.3 秸秆还田对土壤易氧化有机碳的影响52-54
• 3.2.4 秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响54-55
• 3.3 秸秆还田对稻麦轮作田土壤氮含量的影响55-62
• 3.3.1 方差分析55-56
• 3.3.2 秸秆还田对土壤总氮的影响56-58
• 3.3.3 秸秆还田对土壤硝态氮的影响58-60
• 3.3.4 秸秆还田对土壤铵态氮的影响60-62
• 3.4 讨论62-64
• 3.4.1 秸秆还田对土壤容重的影响62-63
• 3.4.2 秸秆还田对土壤有机碳的影响63-64
• 3.4.3 秸秆还田对土壤氮含量的影响64
• 3.5 小结64-66
• 第四章 不同秸秆还田方式对稻麦轮作田温室气体排放及产量的影响66-80
• 4.1 秸秆还田对麦田温室气体排放的影响66-69
• 4.1.1 秸秆还田对CO_2排放的影响66-68
• 4.1.2 秸秆还田对N_2O排放的影响68-69
• 4.2 秸秆还田对稻田温室气体排放的影响69-73
• 4.2.1 秸秆还田对CO_2排放的影响69-71
• 4.2.2 秸秆还田对CH_4排放的影响71-72
• 4.2.3 秸秆还田对N_2O排放的影响72-73
• 4.3 秸秆还田对稻麦轮作田综合增温潜势及产量的影响73-76
• 4.4 讨论76-77
• 4.4.1 秸秆还田对CO_2、CH_4和N_2O排放的影响76-77
• 4.4.2 秸秆还田对产量和GWP的影响77
• 4.5 小结77-80
• 第五章 秸秆集中沟埋还田技术农田碳效应分析80-90
• 5.1 秸秆集中沟埋还田技术对土壤碳汇的影响80-85
• 5.1.1 秸秆集中沟埋还田技术对土壤固碳量的影响80-82
• 5.1.2 秸秆集中沟埋还田技术对秸秆固碳量的影响82-83
• 5.1.3 秸秆集中沟埋还田技术对土壤碳汇的影响83-85
• 5.2 不同秸秆还田方式对农田碳收支的影响85-88
• 5.2.1 不同秸秆还田方式对土壤碳汇的影响85-87
• 5.2.2 不同秸秆还田方式对农田碳减排的影响87
• 5.2.3 不同秸秆还田方式对农田碳收支的影响87-88
• 5.3 讨论88-89
• 5.4 小结89-90
• 第六章 秸秆生物炭施用对棉田温室气体排放及产量的影响90-100
• 6.1 秸秆生物炭施用对土壤环境因子及速效氮的影响90-93
• 6.2 秸秆生物炭施用对棉田温室气体排放的影响93-96
• 6.2.1 秸秆生物炭施用对N_2O排放的影响93-94
• 6.2.2 秸秆生物炭施用对CH_4排放的影响94-96
• 6.3 秸秆生物炭施用对棉田综合增温潜势及棉花产量的影响96-97
• 6.4 讨论97-98
• 6.4.1 秸秆生物炭对土壤水分的影响97
• 6.4.2 秸秆生物炭对N_2O和CH_4排放的影响97-98
• 6.4.3 秸秆生物炭对产量和GWP的影响98
• 6.5 小结98-100
• 第七章 讨论与结论100-106
• 7.1 讨论100-103
• 7.1.1 秸秆还田对温室气体排放的影响100-102
• 7.1.2 秸秆集中沟埋还田技术对土壤碳汇的影响102
• 7.1.3 秸秆生物炭施用对温室气体排放的影响102-103
• 7.2 结论103-104
• 7.3 主要创新点104
• 7.4 研究不足与展望104-106
• 参考文献106-120
• 攻读博士学位期间发表论文120-122
• 致谢122

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