【摘要】：溫室氣體(CO_2、CH_4和N_2O)大量排放是全球氣候變暖及其引起的一系列環(huán)境問題的主要原因。在我國,CO_2排放主要由能源活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生,二者占CO_2排放總量的90.4%。CH_4和N_2O排放主要來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng),分別占兩者氣體全國排放總量的56.6%和73.8%。秸稈覆蓋和地膜覆蓋作為有效的增溫保墑技術(shù),已被廣泛應(yīng)用于我國北方地區(qū)。然而,目前的研究主要集中于秸稈覆蓋和地膜覆蓋對土壤水熱及作物產(chǎn)量的影響。秸稈覆蓋和地膜覆蓋對農(nóng)田溫室氣體排放影響的研究較少,且現(xiàn)有研究試驗(yàn)?zāi)晗掭^短,缺乏全面的環(huán)境效應(yīng)分析。因此,研究在保證作物生產(chǎn)能力的同時(shí)有效減少農(nóng)田溫室氣體排放的農(nóng)田覆蓋措施,對于糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性具有重要意義。本研究于2013-2017年在黃土高原南部陜西楊凌開展大田試驗(yàn),利用靜態(tài)暗箱-氣象色譜法監(jiān)測了土壤CO_2、CH_4和N_2O的排放通量。第1部分研究為探討不同覆膜方式和灌溉對夏玉米農(nóng)田產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響,選用了2014和2015年夏玉米生長季雨養(yǎng)和灌溉條件下的不覆蓋、半膜覆蓋和全膜覆蓋6個(gè)處理,對不同處理下土壤CO_2、CH_4和N_2O排放通量及總量進(jìn)行分析,并借助碳排放強(qiáng)度(Greenhouse gas emission intensity,GHGI)指標(biāo)進(jìn)一步評價(jià)了覆膜方式和灌溉對土壤固碳減排效果的影響。第2部分研究是在灌溉條件下連續(xù)4年冬小麥-夏玉米輪作試驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用生命周期評價(jià)(Life cycle assessment,LCA)方法和碳足跡(Carbon footprint,CF)指標(biāo),研究了秸稈覆蓋和地膜覆蓋(半膜覆蓋、全膜覆蓋、壟膜覆蓋)對冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)作物產(chǎn)量、生命周期內(nèi)溫室氣體排放總量及其碳足跡的影響,并分析了不同覆蓋措施下溫室排放的組成。本研究的主要研究成果如下:(1)覆膜在夏玉米生長季具有增溫保墑作用,作物產(chǎn)量也大幅度提升,且全膜覆蓋增產(chǎn)效果優(yōu)于半膜覆蓋,灌溉條件下全膜覆蓋增產(chǎn)效果最佳。雨養(yǎng)條件下,覆膜顯著增加了玉米生育前期(播后60 d)的土壤溫度3~8℃,在夏玉米生育后期增溫不明顯,而灌溉條件下進(jìn)行地膜覆蓋的增溫效果不顯著。覆膜處理土壤含水率在夏玉米生長季內(nèi)普遍高于不覆蓋處理。在雨養(yǎng)條件下,與不覆蓋處理相比,半膜和全膜覆蓋在2014年增產(chǎn)作用不明顯,而在2015年分別增產(chǎn)19.6%和26.8%;在灌溉條件下,半膜覆蓋增產(chǎn)作用不顯著,而全膜覆蓋在2014和2015年均顯著增產(chǎn)14.1%和55.8%。(2)灌溉僅對2015年CO_2排放有顯著促進(jìn)作用,覆膜方式對CO_2排放沒有顯著影響。灌溉對CH_4吸收沒有顯著影響,覆膜對CH_4吸收具有抑制作用。灌溉對N_2O季節(jié)排放總量沒有顯著影響,覆膜通過降低施肥后引起的N_2O排放峰從而顯著降低季節(jié)排放總量。灌溉和地膜覆蓋可以通過提高產(chǎn)量從而顯著降低GHGI。雨養(yǎng)條件下,與不覆蓋相比,半膜覆蓋和全膜覆蓋的GHGI僅在2015年顯著降低,分別達(dá)到60.1%和61.7%;灌溉區(qū)的半膜覆蓋和全膜覆蓋相比不覆蓋處理,在2014年GHGI分別顯著降低了39.7%和53.2%,2015年分別降低了22.2%和67.5%,即全膜覆蓋降低GHGI的效果優(yōu)于半膜覆蓋。因此,對夏玉米種植而言,灌溉條件下全膜覆蓋能保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)并降低農(nóng)田碳排放強(qiáng)度。(3)與不覆蓋處理相比,秸稈覆蓋、半膜覆蓋、全膜覆蓋和壟作覆膜的年際平均產(chǎn)量分別顯著提高了24.3%、7.0%、15.9%和10.0%。冬小麥增產(chǎn)效果在平水年較濕潤年更顯著。半膜覆蓋、全膜覆蓋和壟膜覆蓋均能顯著提高冬小麥平均產(chǎn)量,增產(chǎn)率分別為8.3%、10.9%和12.2%。而對于夏玉米,僅有全膜覆蓋能顯著增產(chǎn)21.2%。利用生命周期評價(jià)方法計(jì)算得到各處理生命周期內(nèi)溫室氣體排放總量的大小順序?yàn)?全膜覆蓋壟作覆膜半膜覆蓋秸稈覆蓋不覆蓋。不同農(nóng)業(yè)投入項(xiàng)對生命周期內(nèi)溫室氣體排放總量貢獻(xiàn)大小順序?yàn)?氮肥地膜燃料灌溉所需電力直接N_2O和CH_4排放磷肥種子農(nóng)藥。由氮肥的生產(chǎn)和運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體是溫室氣體排放總量的最大貢獻(xiàn)者,不同覆蓋措施下占排放總量的41.1~61.7%。在地膜覆蓋措施下,地膜的使用是僅次于氮肥施用的溫室氣體排放總量的第二大貢獻(xiàn)者,分別占半膜覆蓋、全膜覆蓋和壟作覆膜排放量的20.6%、34.4%和25.7%。而農(nóng)田直接排放的N_2O和CH_4僅占溫室氣體排放總量的3.4~11.4%。(4)與不覆蓋處理相比,秸稈覆蓋能降低冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)的碳足跡,而地膜覆蓋下冬小麥-夏玉米的碳足跡升高。半膜覆蓋、全膜覆蓋和壟膜覆蓋的CF顯著高于不覆蓋,分別高出16.9%、29.2%和21.2%,而秸稈覆蓋的CF值相比不覆蓋顯著降低了15.0%。因此,在我國黃土高原南部地區(qū),為平衡作物生產(chǎn)力和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾,可推廣使用秸稈覆蓋措施。
【圖文】：

不同覆蓋措施下不同農(nóng)業(yè)投入對冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)溫室氣體排放總量的相對貢獻(xiàn)如圖 5-2 所示。不同農(nóng)業(yè)投入項(xiàng)對溫室氣體排放總量貢獻(xiàn)大小順序?yàn)椋旱?gt;薄膜>燃料灌溉所需電力>直接 N2O 和 CH4排放>磷肥>種子>農(nóng)藥。由氮肥的生產(chǎn)和運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體是溫室氣體排放總量的最大貢獻(xiàn)者，不同覆蓋措施下占排放總量的41.1~61.7%。夏玉米較高的施氮量使得夏玉米生長季氮肥生產(chǎn)與運(yùn)輸溫室氣體排放總量的貢獻(xiàn)率高于冬小麥生長季。在薄膜覆蓋措施下，薄膜是僅次于氮肥的溫室氣體排放總量的第二大貢獻(xiàn)者，分別占 HM、FM 和 RM 排放量的 20.6%、34.4%和 25.7%。燃料排放也是溫室氣體排放的重要組分，分別占 NM、SM、HM、FM 和 RM 排放總量的 15.0%、15.2%、12.0%、10.0%和 12.6%。灌溉所需電力產(chǎn)生的溫室氣體排放總量分別占 NM、SM、HM、FM 和 RM 溫室氣體排放總量的 12.8%、12.1%、10.2%、8.6%和 9.6%。農(nóng)藥對冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)溫室氣體排放總量的貢獻(xiàn)較小，，直接 N2O 和 CH4排放占排放總量的 3.4~11.4%。在 4 個(gè)輪作周期內(nèi)，所有處理下的累計(jì) N2O 排放量在 337~750 kgCO2-eqha-1yr-1之間。CH4累計(jì)排放量在-122~-77kgCO2-eqha-1yr-1之間，負(fù)值說明所有處理均為 CH4的匯。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S181

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本文編號：2708740