不同秸稈還田方式與秸稈生物炭施用對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放和土壤固碳的影響

【摘要】：隨著我國(guó)糧食產(chǎn)量的增加,每年產(chǎn)生的作物秸稈也不斷增多。秸稈還田是有效利用農(nóng)業(yè)資源的重要措施,不僅能解決農(nóng)業(yè)廢棄物處理問(wèn)題,還能一定程度上提高土壤肥力、改善作物生產(chǎn)力。但目前所推行的秸稈還田方式如粉碎混施還田、表面覆蓋等,可能會(huì)造成耕地質(zhì)量不好、影響作物出苗及溫室氣體排放量增加等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化、減少農(nóng)田溫室氣體排放,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必須優(yōu)化秸稈還田模式、發(fā)展新的秸稈還田途徑。本論文分別研究了秸稈集中溝埋還田與秸稈生物炭施用對(duì)農(nóng)田土壤固碳和溫室氣體排放的影響,共包括3個(gè)試驗(yàn)：(1)大田試驗(yàn),從2008年小麥季開始,在江蘇南通開展了秸稈集中溝埋還田技術(shù)的研究,即前茬作物收割后在田間按一定的間距挖一定深度的溝,將秸稈均勻掩埋于溝中。分別設(shè)置埋深20 cm、埋深30 cm、埋深40 cm等處理,經(jīng)過(guò)四年稻麥秸稈連續(xù)溝埋還田后,對(duì)該技術(shù)的土壤碳匯進(jìn)行評(píng)估；(2)大田試驗(yàn),于2010年小麥季和2011年水稻季分別在上海崇明島進(jìn)行秸稈集中溝埋還田試驗(yàn),通過(guò)設(shè)置常規(guī)混施還田、埋深20 cm、埋深40 cm、埋深60 cm等還田處理,對(duì)秸稈還田當(dāng)季及后季的CO2、CH4和N2O排放進(jìn)行監(jiān)測(cè),并考察了麥田土壤容重、稻麥田土壤有機(jī)碳、氮含量等；(3)大田試驗(yàn),于2011年棉花季在新疆通過(guò)設(shè)置不同施肥方式(常規(guī)施肥、常規(guī)施肥+生物炭)和灌溉方式(溝灌、滴灌),研究了兩者對(duì)棉田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O排放的影響。主要研究結(jié)果如下：1.秸稈集中溝埋還田改良了土壤物理性狀。秸稈集中溝埋還田降低了秸稈所在層及附近土壤層的容重,并增加了相應(yīng)土壤層的非毛管孔隙度、毛管孔隙度以及總孔隙度,從而顯著改善了土壤物理性狀。與無(wú)秸稈還田相比,集中溝埋還田秸稈所在層及附近土壤層的容重顯著降低3.40%～21.10%,總孔隙度顯著增加3.05%-22.15%。2.秸稈還田一定時(shí)間后,秸稈集中溝埋還田增加了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。常規(guī)秸稈還田處理的有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)在秸稈還田一年半內(nèi)相對(duì)較高,隨后逐漸降低并低于集中溝埋還田處理。而集中溝埋還田的碳庫(kù)管理指數(shù)則隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。小麥秸稈還田兩年后,集中溝埋20 cm處理的碳庫(kù)管理指數(shù)較無(wú)秸稈還田、溝埋60 cm處理分別顯著增加4.27%和3.88%。3.秸稈集中溝埋還田可以減少稻麥輪作田溫室氣體排放強(qiáng)度。與常規(guī)秸稈還田相比,秸稈集中溝埋還田可以減少溫室氣體的排放,并且隨著還田深度的加深,溫室氣體排放呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。水稻秸稈埋深為40cm和60cm時(shí),單位產(chǎn)量增溫潛勢(shì)(GWP)相比常規(guī)秸稈還田分別顯著減少13.33%和14.04%。4.秸稈集中溝埋還田技術(shù)能顯著增加土壤碳匯,具有良好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。秸稈集中溝埋還田技術(shù)能顯著增加土壤有機(jī)碳含量和土壤固碳量,尤其是靠近秸稈的土壤層。該技術(shù)還能延緩秸稈腐解速率、增加秸稈固碳量。集中溝埋20cm處理的0-30 cm土層、溝埋30 cm處理的0-40 cm土層以及溝埋40 cm處理的0-50 cm土層的土壤碳匯較無(wú)秸稈還田處理的相應(yīng)土層分別增加了40.43%、32.54%和33.35%。秸稈集中溝埋還田具有良好的土壤碳匯生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,每年能額外獲得的減排收入為1.50-1.68萬(wàn)元·ha-1。5.秸稈生物炭施用能減少棉田N2O排放量、增加CH4排放量。生物炭施用降低了棉田N2O累積排放量,溝灌方式下生物炭的施用使N2O累積排放量顯著降低28.82%。施用生物炭處理的CH4累積排放量高于無(wú)生物炭施用的處理。生物炭的施用對(duì)單位產(chǎn)量GWP影響不顯著,但溝灌方式下的單位產(chǎn)量GWP值顯著大于滴灌方式下。綜上所述,秸稈集中溝埋還田可以增加稻麥輪作田土壤碳匯,減少溫室氣體的排放,具有良好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外,秸稈生物炭的施用對(duì)棉田單位產(chǎn)量GWP影響不顯著,但滴灌方式能顯著降低單位產(chǎn)量GWP值。 【關(guān)鍵詞】：秸稈集中溝埋還田 秸稈生物炭 土壤固碳 溫室氣體 稻麥輪作田 棉田
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：S141.4
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 引言12-30
• 1.1 研究背景12-15
• 1.1.1 全球氣候變化與溫室效應(yīng)12
• 1.1.2 秸稈利用與溫室效應(yīng)12-15
• 1.2 文獻(xiàn)綜述15-27
• 1.2.1 農(nóng)田溫室氣體(CO_2、CH_4和N_2O)排放機(jī)理15-19
• 1.2.2 農(nóng)田溫室氣體觀測(cè)方法研究19-20
• 1.2.3 秸稈還田對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響20-23
• 1.2.4 秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響23-24
• 1.2.5 秸稈還田對(duì)土壤碳庫(kù)的影響24-25
• 1.2.6 秸稈還田的溫室氣體減排潛力25-26
• 1.2.7 秸稈集中溝埋還田26-27
• 1.3 項(xiàng)目來(lái)源27-28
• 1.4 研究目的和意義28
• 1.5 研究?jī)?nèi)容28-30
• 1.5.1 研究?jī)?nèi)容28-29
• 1.5.2 技術(shù)路線29-30
• 第二章 材料與方法30-44
• 2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路30
• 2.2 材料與方法30-44
• 2.2.1 上海點(diǎn)30-37
• 2.2.2 南通點(diǎn)37-40
• 2.2.3 新疆點(diǎn)40-44
• 第三章 不同秸稈還田方式對(duì)稻麥輪作田土壤理化性狀及有機(jī)碳的影響44-66
• 3.1 秸稈還田對(duì)稻麥輪作田土壤物理性狀的影響44-50
• 3.1.1 方差分析44-45
• 3.1.2 秸稈還田對(duì)土壤容重的影響45-47
• 3.1.3 秸稈還田對(duì)土壤孔隙度的影響47-50
• 3.2 秸稈還田對(duì)稻麥輪作田土壤有機(jī)碳的影響50-55
• 3.2.1 方差分析50
• 3.2.2 秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響50-52
• 3.2.3 秸稈還田對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳的影響52-54
• 3.2.4 秸稈還田對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響54-55
• 3.3 秸稈還田對(duì)稻麥輪作田土壤氮含量的影響55-62
• 3.3.1 方差分析55-56
• 3.3.2 秸稈還田對(duì)土壤總氮的影響56-58
• 3.3.3 秸稈還田對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響58-60
• 3.3.4 秸稈還田對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響60-62
• 3.4 討論62-64
• 3.4.1 秸稈還田對(duì)土壤容重的影響62-63
• 3.4.2 秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響63-64
• 3.4.3 秸稈還田對(duì)土壤氮含量的影響64
• 3.5 小結(jié)64-66
• 第四章 不同秸稈還田方式對(duì)稻麥輪作田溫室氣體排放及產(chǎn)量的影響66-80
• 4.1 秸稈還田對(duì)麥田溫室氣體排放的影響66-69
• 4.1.1 秸稈還田對(duì)CO_2排放的影響66-68
• 4.1.2 秸稈還田對(duì)N_2O排放的影響68-69
• 4.2 秸稈還田對(duì)稻田溫室氣體排放的影響69-73
• 4.2.1 秸稈還田對(duì)CO_2排放的影響69-71
• 4.2.2 秸稈還田對(duì)CH_4排放的影響71-72
• 4.2.3 秸稈還田對(duì)N_2O排放的影響72-73
• 4.3 秸稈還田對(duì)稻麥輪作田綜合增溫潛勢(shì)及產(chǎn)量的影響73-76
• 4.4 討論76-77
• 4.4.1 秸稈還田對(duì)CO_2、CH_4和N_2O排放的影響76-77
• 4.4.2 秸稈還田對(duì)產(chǎn)量和GWP的影響77
• 4.5 小結(jié)77-80
• 第五章 秸稈集中溝埋還田技術(shù)農(nóng)田碳效應(yīng)分析80-90
• 5.1 秸稈集中溝埋還田技術(shù)對(duì)土壤碳匯的影響80-85
• 5.1.1 秸稈集中溝埋還田技術(shù)對(duì)土壤固碳量的影響80-82
• 5.1.2 秸稈集中溝埋還田技術(shù)對(duì)秸稈固碳量的影響82-83
• 5.1.3 秸稈集中溝埋還田技術(shù)對(duì)土壤碳匯的影響83-85
• 5.2 不同秸稈還田方式對(duì)農(nóng)田碳收支的影響85-88
• 5.2.1 不同秸稈還田方式對(duì)土壤碳匯的影響85-87
• 5.2.2 不同秸稈還田方式對(duì)農(nóng)田碳減排的影響87
• 5.2.3 不同秸稈還田方式對(duì)農(nóng)田碳收支的影響87-88
• 5.3 討論88-89
• 5.4 小結(jié)89-90
• 第六章 秸稈生物炭施用對(duì)棉田溫室氣體排放及產(chǎn)量的影響90-100
• 6.1 秸稈生物炭施用對(duì)土壤環(huán)境因子及速效氮的影響90-93
• 6.2 秸稈生物炭施用對(duì)棉田溫室氣體排放的影響93-96
• 6.2.1 秸稈生物炭施用對(duì)N_2O排放的影響93-94
• 6.2.2 秸稈生物炭施用對(duì)CH_4排放的影響94-96
• 6.3 秸稈生物炭施用對(duì)棉田綜合增溫潛勢(shì)及棉花產(chǎn)量的影響96-97
• 6.4 討論97-98
• 6.4.1 秸稈生物炭對(duì)土壤水分的影響97
• 6.4.2 秸稈生物炭對(duì)N_2O和CH_4排放的影響97-98
• 6.4.3 秸稈生物炭對(duì)產(chǎn)量和GWP的影響98
• 6.5 小結(jié)98-100
• 第七章 討論與結(jié)論100-106
• 7.1 討論100-103
• 7.1.1 秸稈還田對(duì)溫室氣體排放的影響100-102
• 7.1.2 秸稈集中溝埋還田技術(shù)對(duì)土壤碳匯的影響102
• 7.1.3 秸稈生物炭施用對(duì)溫室氣體排放的影響102-103
• 7.2 結(jié)論103-104
• 7.3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)104
• 7.4 研究不足與展望104-106
• 參考文獻(xiàn)106-120
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文120-122
• 致謝122

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生物炭漸火 農(nóng)林廢棄物就地一“燜”變成寶    羅冰

為子孫留一片沃土藍(lán)天    本報(bào)記者 郝曉明

遂昌竹炭贏得國(guó)際贊譽(yù)    記者 李瑞林　通訊員 程曉云

生物炭表面有機(jī)小分子及其活性研究    鄂洋

秸稈、木質(zhì)素及生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳氮和微生物多樣性的影響    張杰

生物炭的理化性質(zhì)及其在作物生產(chǎn)上的應(yīng)用    張偉明

生物炭對(duì)稻田土壤鎘生物有效性的影響研究    張振宇

蘆竹生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的影響    鄭浩

生物炭技術(shù)緩解溫室氣體排放的潛力評(píng)估    姜志翔

生物炭對(duì)水體和土壤環(huán)境中重金屬鉛的固持    劉國(guó)成

生物炭對(duì)植稻酸性土壤微生物群落和土壤肥力的影響    Niaz Muhammad

生物炭節(jié)水保肥機(jī)理與作物水炭肥耦合效應(yīng)研究    勾芒芒

生物炭碳源驅(qū)動(dòng)土壤微生物區(qū)系代謝作用研究    孫大荃

不同源生物炭的理化性質(zhì)及其對(duì)雙酚A和磺胺甲噁唑的吸附    李靖

生物炭對(duì)砂壤土理化性質(zhì)及番茄生長(zhǎng)性狀的影響及其關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究    李昌見(jiàn)

影響生物炭基氮肥氮素釋放因素的研究    梁桓

生物炭對(duì)土壤氮素固持轉(zhuǎn)化影響的模擬研究    蓋霞普

不同生物炭對(duì)鉛鋅礦尾礦重金屬污染土壤修復(fù)效果的研究    王麗麗

錳氧化物—生物炭復(fù)合材料對(duì)砷的生物有效性的影響    于志紅

豆禾混播與生物炭互作去除徑流污染物效果研究    張廣恪

生物炭對(duì)土壤中六價(jià)鉻和莠去津的吸附鎖定作用研究    景明

生物炭對(duì)滴灌春小麥產(chǎn)量及土壤肥力的影響    張宏

生物炭對(duì)重金屬的吸附作用及腐殖酸的影響    王菁姣