本文選題：溫室氣體 + 緩釋尿素　； 參考：《西北農(nóng)林科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,化肥施用所產(chǎn)生的溫室氣體(CO2、CH4、N2O)和氨氣(NH3)等的排放問(wèn)題現(xiàn)已成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體排放、提高化肥利用效率,各國(guó)科學(xué)家所推薦的諸如緩釋型肥料施用、肥料配施抑制劑等措施在小麥、玉米、水稻等作物生產(chǎn)中效果明顯,但關(guān)于此類(lèi)措施對(duì)棉田土壤溫室氣體排放的作用、棉花產(chǎn)量的影響等方面的研究并不多見(jiàn)。棉花做為世界重要的經(jīng)濟(jì)作物種植面積達(dá)巨大,2016年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示世界棉花種植面積已達(dá)3120萬(wàn)公頃,棉花生產(chǎn)中化肥施用所產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題不容忽視。另外農(nóng)業(yè)土壤作為全球重要的碳庫(kù),其碳循環(huán)過(guò)程和碳平衡直接影響著全球CO2排放總量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中作物輪作制度、氮肥施用及綠肥作物種植等措施都能夠直接影響土壤有機(jī)碳輸入,并且通過(guò)影響土壤最基本結(jié)構(gòu)—團(tuán)聚體的形成、團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)及有機(jī)碳的化學(xué)轉(zhuǎn)化從而影響土壤有機(jī)碳的固定及溫室氣體排放。由于棉花的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值,通常為提高棉花生產(chǎn)利潤(rùn)率而采取棉花連作的種植制度,因此導(dǎo)致有關(guān)美國(guó)南部傳統(tǒng)棉花產(chǎn)區(qū)作物輪作、綠肥種植和氮肥施用條件對(duì)于棉花產(chǎn)量及棉田土壤碳循環(huán)影響的研究少之又少。本研究選擇了兩處位于美國(guó)國(guó)土南部亞熱帶氣候條件下傳統(tǒng)棉花生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的棉花田地作為試驗(yàn)研究對(duì)象,研究緩釋尿素、尿素配施脲酶抑制劑NBPT及硝化抑制劑DCD等五種不同施肥措施對(duì)于棉花種植中溫室氣體及NH3排放、棉花產(chǎn)量以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等的影響進(jìn)行了研究,并且研究了在長(zhǎng)期試驗(yàn)體系中作物輪作、冬季綠肥覆蓋及氮肥施用等農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)于棉田土壤有機(jī)碳含量、土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳組分的化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程,揭示棉花種植過(guò)程中這些人為管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳固定的作用機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上為未來(lái)棉花產(chǎn)業(yè)選擇適宜的、能夠減少溫室氣體排放的環(huán)境友好型肥料以及合理的、能夠提高土壤碳庫(kù)水平、增強(qiáng)土壤固碳效應(yīng)的農(nóng)業(yè)管理措施提供科學(xué)依據(jù)。本研究于2013和2014年兩茬棉花種植季節(jié),對(duì)五種不同施肥處理?xiàng)l件下:空白對(duì)照(Check無(wú)施肥)、尿素(Urea)、緩釋尿素(Coated Urea,ESN)、尿素與脲酶抑制劑n-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)混施(Urea+NBPT)和尿素與硝化抑制劑雙氰胺(DCD)混施(Urea+DCD),利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)棉田土壤CO2、CH4、N2O排放進(jìn)行監(jiān)測(cè),并同時(shí)監(jiān)測(cè)NH3的排放并對(duì)棉花產(chǎn)量、全球增溫潛勢(shì)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì),同時(shí)使用磷脂脂肪酸(PLFA)法對(duì)棉田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定。主要結(jié)果如下:1.不同施肥處理對(duì)于NH3及溫室氣體排放的影響2013和2014兩個(gè)棉花生長(zhǎng)季中各施肥處理中的nh3和n2o排放規(guī)律相似,各施肥處理中主要的nh3和n2o排放高峰均出現(xiàn)在現(xiàn)施肥后的4天左右,并于40天后基本回落至背景值水平。n2o排放所損失的n含量顯著多于nh3排放所損失的n量,尿素、緩釋尿素、尿素與nbpt混施、尿素與dcd混施處理的平均nh3排放因子與平均n2o的排放因子分別為:1.9%、1.0%、0.2%、0.8%和8.3%、3.4%、3.9%、1.0%。與普通尿素處理相比,脲酶抑制劑nbpt抑制nh3-n排放的作用最為顯著,在兩個(gè)生長(zhǎng)季中其抑制效率分別達(dá)52%和62%;硝化抑制劑dcd抑制n2o-n排放作用最為明顯,兩年平均抑制效率達(dá)到75%;緩釋尿素和脲酶抑制劑nbpt對(duì)于n2o-n排放的抑制作用同樣很顯著,試驗(yàn)期間平均抑制效率都達(dá)到了52%。不同施肥處理對(duì)于棉田土壤co2-c排放總量并無(wú)顯著影響。關(guān)于棉田土壤ch4-c排放,除2014棉花生長(zhǎng)季普通尿素處理相比空白處理顯著增加了3.4倍外,其他施肥處理的ch4-c排放均與空白處理無(wú)明顯差異。2.不同施肥處理對(duì)棉花產(chǎn)量、綜合增溫潛勢(shì)及溫室氣體排放強(qiáng)度的影響2013年緩釋型尿素(esn)處理顯著提高棉花產(chǎn)量,與普通尿素處理相比籽棉和皮棉產(chǎn)量分別增加了15.4%和10%。但在2014年多雨氣候條件下,相比普通尿素處理,緩釋尿素處理籽棉和皮棉產(chǎn)量分別下降了18%和14%。與普通尿素處理相比,脲酶抑制劑nbpt與硝化抑制劑dcd的施用在2013和2014年棉花生長(zhǎng)季均未對(duì)棉花產(chǎn)量產(chǎn)生促進(jìn)作用,相反兩年間這兩個(gè)處理的籽棉產(chǎn)量分別平均降低了8%和12%。對(duì)于2013年棉花生長(zhǎng)季,與空白處理(check)相比,普通尿素處理(urea)、緩釋尿素處理(coatedurea)和施加脲酶抑制劑的處理(urea+nbpt)中ch4和n2o的綜合增溫潛勢(shì)(gwp)分別增加了144倍、26.6倍和122倍,而施加硝化抑制劑的處理(urea+dcd)與對(duì)照相比沒(méi)有顯著性的差異。但是對(duì)于2014年棉花生長(zhǎng)季,處理urea的綜合增溫潛勢(shì)相比空白處理顯著增加了4.5倍,其他處理并無(wú)顯著性的差異(p0.05)。2013年溫室氣體排放強(qiáng)度(ghgi)呈現(xiàn)出處理ureaurea+nbptcoatedureaurea+dcd處理check的趨勢(shì),相比空白處理,處理urea、coatedurea、urea+nbpt和urea+dcd的溫室氣體排放強(qiáng)度分別增加了76倍、31倍、71倍和9倍。2014年生長(zhǎng)季中各處理的溫室氣體排放強(qiáng)度間差異并不顯著。3.不同施肥處理對(duì)土壤中微生物種群的影響除處理urea+nbpt外,其他施肥處理均能夠促進(jìn)土壤中微生物的生長(zhǎng)繁殖,相比空白對(duì)照處理,處理urea、處理coatedurea、處理urea+dcd土壤微生物生物量分別增加了15.7%、14.9%和35.2%。與空白處理相比,處理urea對(duì)于土壤中細(xì)菌種群數(shù)量的增加作用最為顯著,可達(dá)30.5%,而緩釋尿素、配施nbpt和配施dcd的處理中細(xì)菌種群數(shù)量分別只增加了16%、15.4%和17.9%。與對(duì)照處理相比,除處理urea+dcd之外其他處理中革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌比值(g+/g-)差異明顯。處理urea和處理urea+nbpt中革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌比值(g+/g-)均明顯小于對(duì)照處理,分別下降了17%和36.7%。各處理中只有處理coatedurea的革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌比值(g+/g-)比對(duì)照處理(check)顯著增加了50%。各處理中只有處理urea+nbpt對(duì)于土壤中真菌種群數(shù)量的增加有顯著作用,相比對(duì)照處理增加了89%(p0.05)。相比對(duì)照處理,處理urea的細(xì)菌/真菌比值顯著增高,而處理coatedurea和處理urea+nbpt的細(xì)菌/真菌比均出現(xiàn)顯著降低,處理urea+dcd中細(xì)菌/真菌比并未表現(xiàn)出顯著差異。處理coatedurea、處理urea+nbpt和處理urea+dcd中表征脅迫效應(yīng)的環(huán)丙脂肪酸/前體物比值(cyc/precursor)均顯著低于對(duì)照處理和處理urea,數(shù)值上分別比對(duì)照處理降低了35.3%、42.2%和58.8%。各施肥處理對(duì)于土壤中放線(xiàn)菌種群數(shù)量的影響均不顯著。在長(zhǎng)期試驗(yàn)體系中,本文研究了五種農(nóng)業(yè)管理措施:棉花連作+無(wú)氮肥施入(c)、棉花連作+冬季覆蓋作物+無(wú)氮肥施入(c+wl)、棉花連作+硝酸銨肥料(c+n)、棉花-玉米輪作+冬季覆蓋作物+無(wú)氮肥施入(c-c+wl)和棉花-玉米輪作+冬季覆蓋+氮肥施用(c-c+wl+n)對(duì)棉田土壤有機(jī)碳團(tuán)聚體的物理保護(hù)、有機(jī)碳形態(tài)及有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的影響,結(jié)果表明:1.長(zhǎng)期農(nóng)田管理措施對(duì)棉田原狀土中不同形態(tài)有機(jī)碳含量的影響長(zhǎng)期的作物輪作、冬季綠肥及氮肥施用措施對(duì)于棉田土壤有機(jī)碳(soc)、土壤總氮(tn)和酸解性有機(jī)碳(hc)均有顯著促進(jìn)作用。相比處理c,處理c+wl、處理c-c+wl、處理c-c+wl+n和處理c+n的soc含量分別增加了83%、164%、149%和87%(p0.01);這些處理的tn含量分別增加了120%、223%、199%和99%(p0.01);各處理的hc含量增加更加顯著,增加量分別達(dá)到了153%、315%、300%和146%(p0.05)。而各處理中除了處理c+n的doc含量與處理c相比顯著增加了37.2%外,其他處理的doc含量均與處理c無(wú)顯著差異(p0.05)。2.長(zhǎng)期農(nóng)田管理措施對(duì)棉田土壤團(tuán)聚體分布及團(tuán)聚體中各形態(tài)碳含量的影響各處理對(duì)250-2000μm粒徑的大團(tuán)聚體(m)組分的形成均有促進(jìn)作用。相比處理c,其他處理對(duì)于大團(tuán)聚體組分的增加分別達(dá)到了37.3%、156%、86.8%和29%,而對(duì)于粒徑為53~250μm的微團(tuán)聚體(m)的形成影響均不顯著;在粒徑53μm的粉粘粒(s+c)級(jí)別,只有處理c+n的粉粘粒組分含量相比處理c有顯著的增加,達(dá)到68.2%。與處理c相比,各處理在250-2000μm的大團(tuán)聚體粒徑級(jí)別下的土壤有機(jī)碳含量差異最為顯著。在250-2000μm粒徑級(jí)別中,處理c-c+wl的有機(jī)碳含量相比處理c增加最為明顯,達(dá)到311%,而處理c+wl、處理c-c+wl+n和處理c+n的soc含量均分別增加了175%、298%和153%。而該粒徑級(jí)別下除處理c-c+wl的土壤全氮(tn)含量與處理c有顯著差異外(增加了133.4%),其他處理之間土壤全氮含量并無(wú)明顯差異。在53~250μm粒徑級(jí)別,只有處理c-c+wl和處理c-c+wl+n相比處理c的土壤有機(jī)碳含量增加了2.95倍和2.36倍(p0.05)。該粒徑級(jí)別下,除處理c-c+wl和處理c-c+wl+n的tn含量相比處理c顯著增加了2倍和1.5倍外,其他處理的tn含量均與處理c無(wú)明顯差異(p0.05)。在粒徑53μm的粉粘粒級(jí)別下,各處理之間土壤有機(jī)碳含量差異并不顯著(p0.05),對(duì)于土壤總氮含量,處理c-c+wl、處理c-c+wl+n和處理c的土壤總氮含量相比分別顯著增加了1.3倍和1.1倍,而處理c+wl和處理c+n的tn含量相比處理c并沒(méi)有顯著增加(p0.05)。各處理的doc含量在不同粒徑大小級(jí)別下均未表現(xiàn)出顯著差異。在250-2000μm和53-250μm粒徑級(jí)別中,處理c+wl、c-c+wl和c-c+wl+n均顯著增加了土壤hc含量。而在53μm的粉粘粒級(jí)別中,相比處理c其他處理均顯著增加了土壤hc含量。處理c有機(jī)碳含量分別在大團(tuán)聚體級(jí)別、微團(tuán)聚體級(jí)別和粉黏粒級(jí)別所占總有機(jī)碳含量的比例為15.6%、18.7%和65.4%。在250-2000μm粒徑級(jí)別,其他處理的有機(jī)碳含量比例相比處理c均顯著增加了87.8%、94%、84.6%和69.2%(p0.05)。在53-250μm的微團(tuán)聚體m級(jí)別中,相比處理c中有機(jī)碳含量比例(18.7%),處理c+wl、處理c-c+wl和處理c-c+wl+n的soc含量比例分別顯著增加了43.3%、86.6%和54.5%。而在粒徑小于53μm的粉粘粒(s+c)級(jí)別,各處理中有機(jī)碳含量比例均顯著小于處理c,各處理soc占比均下降了21.3%-47%�？梢�(jiàn)作物輪作制度、綠肥植物種植和氮肥施用措施均能影響土壤有機(jī)碳在不同粒徑級(jí)別土壤團(tuán)聚體中的積累,這些措施主要增加了在大團(tuán)聚體(m)和微團(tuán)聚體(m)中土壤有機(jī)碳的積累,而對(duì)于粉粘粒(s+c)中的有機(jī)碳積累并無(wú)促進(jìn)作用3.長(zhǎng)期農(nóng)田管理措施對(duì)棉田土壤有機(jī)碳化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的影響根據(jù)熱裂解氣相色譜質(zhì)譜分析(py-gc/ms)得出結(jié)果,作物輪作、冬季綠肥覆蓋和氮肥等措施的施用直接改變了各裂解產(chǎn)物在原狀土壤中的分布。與處理c相比,氮肥施用向土壤中引入了以苯、甲苯、乙苯等6種芳香族化合物、以呋喃等為主的3種多糖類(lèi)化合物、3種含氮化合物以及5種脂肪族化合物,共14種不同化合物�？梢�(jiàn)氮肥施用主要增加了芳香族和包括短鏈脂肪族化合物和長(zhǎng)鏈脂肪族化合物的輸入,這些脂肪族化合物均來(lái)自于施肥導(dǎo)致的植物生物量和土壤微生物量的增加。冬季綠肥作物覆蓋則相比處理c增加了多達(dá)22種化合物,分別來(lái)源于脂肪族化合物、芳香族化合物、含氮化合物、多糖類(lèi)化合物、苯酚類(lèi)化合物及木質(zhì)素類(lèi)化合物。該處理中同時(shí)檢測(cè)出的吡啶和甲苯化合物能夠證實(shí)其來(lái)源于微生物源的輸入,即證明了豆科綠肥作物向土壤中引入了根瘤菌并促進(jìn)了土壤中其他微生物生物量的增加,而長(zhǎng)鏈脂肪族化合物的存在則證明了豆科植物通過(guò)固氮作用增加了植物生物量,進(jìn)而增加了土壤中植物殘?bào)w的輸入。各處理中,處理c-c+wl和c-c+wl+n所檢測(cè)出的化合物種類(lèi)最多達(dá)37種,但處理c-c+wl+n中的n肥施用并未向土壤中引入新的化合物。試驗(yàn)中作物輪作制、冬季綠肥植物覆蓋和氮肥施用均能夠向土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)不同化合物,特別是高等植物源的有機(jī)物質(zhì)和微生物源的脂肪族化合物等均有助于促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累并提高棉田生態(tài)系統(tǒng)固碳效率。綜上所述,在美國(guó)南部棉花傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)中,緩釋尿素、脲酶抑制劑NBPT及硝化抑制劑DCD等不同施肥方式均可有效的減少棉花種植過(guò)程中的氨氣和溫室氣體排放,并能在一定程度上提高作物產(chǎn)量。而作物輪作制度、冬季綠肥種植和氮肥配施措施也被證實(shí)能夠有效改變土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的,有助于增加棉田土壤碳固定。因此在棉花種植過(guò)程中,緩釋尿素、脲酶抑制劑NBPT及硝化抑制劑DCD的施用搭配長(zhǎng)期的作物輪作制度與冬季綠肥種植等措施,將會(huì)有效提高土壤碳匯能力,并且有助于在棉花種植過(guò)程中實(shí)現(xiàn)固碳減排的目標(biāo)。
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【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S562
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本文編號(hào)：1811798