不同秸稈還田處理下農(nóng)田溫室氣體排放的DNDC模型模擬及模型適應(yīng)性研究

【摘要】：溫室氣體排放作為氣候變化的原因之一,已經(jīng)受到越來越多的科學(xué)家的關(guān)注和深入研究。在眾多溫室氣體的排放源中,農(nóng)業(yè)土壤是最重要的排放源之一。農(nóng)業(yè)用地中N2O的年排放量占全球總排放量的10%-27%。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫,對大氣CO2濃度增加的貢獻(xiàn)率是化石燃料的10倍。因此,模擬農(nóng)田土壤中不同秸稈還田方式下的N2O和CO2的輸出過程、控制機(jī)理、影響因素和變化趨勢,從根本上控制農(nóng)田溫室氣體排放、加強(qiáng)資源保護(hù)、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。近年來,我國和澳大利亞在農(nóng)田N2O和CO2氣體排放模擬方面的研究取得了很大的進(jìn)展,但整體上還不夠完善。本文利用農(nóng)田試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)、澳大利亞氣象數(shù)據(jù)、澳大利亞土壤數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和DNDC模型,研究了DNDC模型模擬和預(yù)測不同秸稈還田方式下(秸稈焚燒和秸稈深埋)農(nóng)田N2O和CO2氣體排放通量的可行性以及各個(gè)影響農(nóng)田N2O和CO2氣體排放的影響因子之間的相互關(guān)系。取得了如下的主要研究結(jié)果：(1)在對DNDC模型進(jìn)行校正時(shí),將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入DNDC模型,并運(yùn)用模型模擬了澳大利亞新南威爾士州Griffith地區(qū)土壤溫度、土壤濕度和控制組的N2O氣體排放通量的變化。研究結(jié)果表明DNDC模型模擬的Griffith地區(qū)土壤溫度,土壤濕度和控制組的N2O氣體排放通量變化的模擬值與實(shí)測值的相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)r=0.9532(n=126,P0.01),r=0.9781(n=365,P0.01)和r=0.8523(n=116,P0.01)。這說明,校正后的DNDC模型可以模擬研究區(qū)的環(huán)境變化和由礦化氮的變化所引起的農(nóng)田N2O氣體排放通量的變化。(2)運(yùn)用DNDC模型對不同秸稈還田方式下的N2O氣體排放量和礦化氮量進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明DNDC模型模擬的Griffith地區(qū)秸稈深埋方式比秸稈焚燒方式更能減少農(nóng)田N2O氣體的排放量,并能增加土壤的礦化氮量,即：秸稈深埋方式優(yōu)于秸稈焚燒方式。在各種秸稈還田方式中,農(nóng)田每日N2O氣體排放通量,農(nóng)田年N2O氣體排放量趨勢,農(nóng)田年N2O氣體排放量和排放因子的模擬值與模擬趨勢線均與實(shí)測值和實(shí)測趨勢線呈極顯著的相關(guān)性。300N-Burn和300N-Incorporation的農(nóng)田N2O氣體年排放量觀測值分別為9.8 kgN·ha-1·a-1 (?)(?)6.2 kgN·ha-1·a-1。300N-Burn(秸稈焚燒)和300N-Incorporation(秸稈深埋)的農(nóng)田N2O氣體年排放量模擬值分別為12.96kgN·ha-1·a-1和8.08 kgN·ha-1·a-1。因此,DNDC模型可以用于模擬和預(yù)測澳大利亞Griffith地區(qū)不同秸稈還田方式下的農(nóng)田N2O氣體排放量的變化。在秸稈還田階段,秸稈焚燒方式下的土壤礦化氮量高于秸稈深埋方式下的土壤礦化氮量；在作物生長階段,秸稈深埋方式下的土壤礦化氮量高于秸稈焚燒方式下的土壤礦化氮量。因此,秸稈深埋方式可以減少礦化氮在秸稈還田過程中的損失,同時(shí)也有利于在作物生長階段作物對礦化氮的吸收和利用。(3)對DNDC模型進(jìn)行的靈敏度分析表明,氮肥施用量,氮肥施用次數(shù),灌溉次數(shù)和土壤質(zhì)地等均可以強(qiáng)烈地影響農(nóng)田土壤中農(nóng)田N2O氣體的排放量。而土壤pH和土壤容重對農(nóng)田土壤中N2O氣體的排放量影響不顯著。(4)采用DNDC模型模擬和預(yù)測了澳大利亞新南威爾士州 Griffith地區(qū)不同秸稈還田方式下的農(nóng)田CO2氣體排放量。結(jié)果表明,在不同秸稈還田方式下,農(nóng)田每日CO2排放通量和農(nóng)田年CO2排放量的實(shí)測值和模擬值的相關(guān)性達(dá)極顯著水平,其相關(guān)系數(shù)在秸稈還田階段分別為：0.7412和0.8233；在作物生長階段分別為0.7254和0.8227。這說明DNDC模型更適合模擬和預(yù)測秸稈深埋處理?xiàng)l件下的農(nóng)田CO2氣體排放量的變化。在秸稈還田階段和作物生長過程中,秸稈深埋處理(300N-Incorporation)的研究小區(qū)的模擬精度均要高于秸稈焚燒處理(300N-Burn)的研究小區(qū)。秸稈焚燒放和秸稈深埋方式下年CO2排放量的測定值分別為47t C·ha-1·a1和3.5t C·ha-1·a-1,相應(yīng)的模擬值分別為3.45t C·ha-1·a-1和213t C·ha-1·a-1。DNDC模型也可以模擬不同秸稈還田方式下的有機(jī)碳總量,并且可以區(qū)分由于秸稈還田方式的不同,所帶來的有機(jī)碳總量的變化。但是DNDC模型模擬的有機(jī)碳總量偏高,因此只能近似模擬土壤中的有機(jī)碳總量。(5)對DNDC模型能否長期用于模擬和估算農(nóng)田土壤中N2O和CO2氣體排放通量進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：隨著模擬年限的增加,DNDC模型仍能準(zhǔn)確的模擬出不同秸稈還田方式下農(nóng)田N2O和CO2氣體排放通量的變化,并且仍能達(dá)到較高的精度,且更適合于模擬秸稈深埋條件下的農(nóng)田N2O和CO2氣體排放通量變化。模型的模擬穩(wěn)定性不會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)生變化。(6)通過對研究區(qū)農(nóng)田土壤中N2O氣體排放通量和影響排放的各個(gè)因子進(jìn)行相關(guān)分析表明,N2O的排放通量與最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)、平均溫度(Tmean)、充水孔隙體積(WFPS)、礦化氮(Mineral N)和CO2呈極顯著或顯著性正相關(guān)關(guān)系,與降水量(Rain)的相關(guān)性不明顯。通過主成分分析可以得知影響農(nóng)田N2O排放的主要因素為WFPS、Mineral N、CO2和Tmean。采用通徑分析方法確定了農(nóng)田N2O的排放通量與各主要影響因子之間的回歸方程為Y＝-37.162+0.5267 X1+0.4331 X2+0.3014X3+0.2392X4(r=0.924,p＜0.01,n＝151),式中：Y為農(nóng)田N2O排放通量,X1為MineralN,X2為CO2,X3為WFPS和X4為Tmean。Mineral N和CO2比WFPS和Tmean更直接地影響農(nóng)田土壤中N2O氣體的排放。同時(shí)WFPS,MineralN和CO2對N2O氣體排放的直接和間接通徑分析結(jié)果表明,灌溉、降水、秸稈還田方式、微生物生物量和施肥量等均可以對農(nóng)田N2O氣體的排放起決定性的影響。因此,合理地灌溉、秸稈還田方式和適量的施肥措施均能調(diào)控N2O氣體的排放。影響農(nóng)田CO2排放的主要因素Tmax、Tmin、Tmean,、WFPS和土壤平均溫度(SMT)與CO2排放通量之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。通徑分析結(jié)果顯示,農(nóng)田土壤中CO2的排放通量與各影響因素之間的回歸方程為：Y-34.113+0.8067 X1+0.6392X2+0.4014X3(r=0.964,p0.01,n=260),式中：Y為農(nóng)田CO2排放通量,X1為SMT,X2為Tmean,X3為WFPS。SMT、Tm ean和WFPS是驅(qū)動(dòng)CO2排放的最為重要的環(huán)境因子,因此調(diào)節(jié)這些環(huán)境因子有助于農(nóng)田系統(tǒng)中CO2氣體的減排。 【關(guān)鍵詞】：澳大利亞Griffith地區(qū) 農(nóng)田N_2O氣體排放 農(nóng)田CO_2氣體排放 秸稈還田方式 DNDC模型 模型驗(yàn)證 通徑分析
【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;S181
【目錄】：

• 摘要11-14
• ABSTRACT14-17
• 第一章 緒論17-41
• 1.1 研究早地農(nóng)田溫室氣體排放的背景17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展18-38
• 1.2.1 農(nóng)田土壤溫室氣體(N_2O和CO_2)排放的研究進(jìn)展19-24
• 1.2.2 農(nóng)田土壤溫室氣體減排策略24-28
• 1.2.3 生物地球化學(xué)模型模擬溫室氣體排放的研究進(jìn)展28-38
• 1.3 研究目的與研究內(nèi)容38-39
• 1.3.1 研究目的38
• 1.3.2 研究內(nèi)容38-39
• 1.4 研究的技術(shù)路線39-41
• 第二章 材料與方法41-53
• 2.1 研究區(qū)概況41-45
• 2.1.1 地理位置與地形41
• 2.1.2 氣候狀況41-44
• 2.1.3 土壤性狀44-45
• 2.2 田間試驗(yàn)處理與研究方法45-48
• 2.2.1 不同秸稈還田方式的田間試驗(yàn)處理45-46
• 2.2.2 田間試驗(yàn)過程中N_2O氣體和CO_2氣體采集和測定46-48
• 2.2.3 田間試驗(yàn)過程中土壤溫度和土壤濕度的測定48
• 2.2.4 樣品分析48
• 2.2.5 氣體通量計(jì)算48
• 2.3 數(shù)值模擬方法48-52
• 2.3.1 主成分分析48-50
• 2.3.2 通徑分析50-52
• 2.3.3 影響因子的選取52
• 2.4 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)方法52-53
• 第三章 DNDC模型的數(shù)據(jù)輸入和模型校正與驗(yàn)證53-63
• 3.1 引言53
• 3.2 DNDC輸入數(shù)據(jù)53-56
• 3.3 其它輸入數(shù)據(jù)56-61
• 3.4 模型驗(yàn)證方法61-63
• 第四章 基于DNDC模型的不同秸稈還田方式對農(nóng)田土壤中N_2O氣體排放的模擬研究63-73
• 4.1 引言63
• 4.2 材料與方法63-64
• 4.2.1 研究區(qū)簡介63
• 4.2.2 數(shù)據(jù)來源63
• 4.2.3 不同秸稈還田方式的田間處理63-64
• 4.2.4 田間測定數(shù)據(jù)采集方法64
• 4.2.5 研究方法64
• 4.3 結(jié)果與討論64-71
• 4.3.1 DNDC模型對研究區(qū)的土壤溫度和濕度的模擬研究64-65
• 4.3.2 DNDC模型對對照組早地農(nóng)田N_2O氣體排放的模擬預(yù)測65-66
• 4.3.3 DNDC模型對試驗(yàn)組旱地農(nóng)田N_2O氣體排放的模擬預(yù)測66-68
• 4.3.4 不同秸稈還田方式下N_2O氣體年排放量和排放因子研究68
• 4.3.5 DNDC模型對不同秸稈還田方式下礦化氮的模擬研究68-70
• 4.3.6 DNDC模型的靈敏度分析70-71
• 4.4 本章小結(jié)71-73
• 第五章 DNDC模型對不同秸稈還田方式下農(nóng)田土壤中CO_2排放模擬和有機(jī)碳的估算研究73-79
• 5.1 引言73
• 5.2 材料與方法73-74
• 5.2.1 研究區(qū)簡介73
• 5.2.2 數(shù)據(jù)來源73
• 5.2.3 不同秸稈還田方式的田間處理73-74
• 5.2.4 田間測定數(shù)據(jù)采集方法74
• 5.2.5 研究方法74
• 5.3 結(jié)果與討論74-78
• 5.3.1 DNDC模型對秸稈還田階段CO_2排放的模擬74-75
• 5.3.2 DNDC模型對作物生長階段CO_2排放的模擬75-77
• 5.3.3 DNDC模型對有機(jī)碳的估算77-78
• 5.4 本章小結(jié)78-79
• 第六章 不同秸稈還田方式下溫室氣體排放的模型驗(yàn)證79-89
• 6.1 引言79
• 6.2 材料與方法79-80
• 6.2.1 研究區(qū)簡介79
• 6.2.2 數(shù)據(jù)來源79
• 6.2.3 不同秸稈還田方式的田間處理79
• 6.2.4 田間測定數(shù)據(jù)采集方法79
• 6.2.5 研究方法79-80
• 6.3 結(jié)果與討論80-86
• 6.3.1 N_2O氣體排放的模型驗(yàn)證80-82
• 6.3.2 CO_2氣體排放的模型驗(yàn)證82-86
• 6.4 本章小結(jié)86-89
• 第七章 不同驅(qū)動(dòng)因子對N_2O和CO_2排放的影響研究89-99
• 7.1 引言89
• 7.2 材料與方法89-90
• 7.2.1 研究區(qū)簡介89
• 7.2.2 數(shù)據(jù)來源89
• 7.2.3 不同秸稈還田方式的田間處理89-90
• 7.2.4 田間測定數(shù)據(jù)采集方法90
• 7.2.5 研究方法90
• 7.3 結(jié)果與討論90-98
• 7.3.1 不同驅(qū)動(dòng)因子對N_2O氣體排放的影響研究90-95
• 7.3.2 不同驅(qū)動(dòng)因子對CO_2氣體排放的影響研究95-98
• 7.4 本章小結(jié)98-99
• 第八章 全文結(jié)論99-103
• 8.1 主要結(jié)論99-100
• 8.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)100-101
• 8.3 不足之處與展望101-103
• 參考文獻(xiàn)103-113
• 讀研期間發(fā)表的論文113-115
• 致謝115

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