【摘要】：二氧化碳(CO_2)、氧化亞氮(N_2O)和甲烷(CH_4)是重要的溫室氣體,對全球氣候變化產(chǎn)生強烈影響。旱地約占我國陸地面積70%,旱地農(nóng)業(yè)對于保障我國糧食安全發(fā)揮著舉足輕重的作用。旱地農(nóng)業(yè)土壤是重要的溫室氣體排放源和吸收匯。闡明旱地農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體產(chǎn)生、消耗和排放規(guī)律及其影響因素,對于深入了解該地區(qū)溫室氣體源匯過程及機理并采取合理措施減緩溫室氣體排放具有重要意義。為探究旱作農(nóng)田溫室氣體產(chǎn)生、消耗及凈排放對作物、施氮和覆膜的響應(yīng),于2014和2015年在陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站安排田間試驗,通過連續(xù)原位測定旱作春玉米農(nóng)田0-50 cm土層CO_2、N_2O和CH_4濃度及凈排放,并利用濃度梯度法計算溫室氣體擴散通量,以期求證假設(shè)“(1)與不種植作物相比,種植作物因通過自身根系呼吸和間接改變土壤溫度、水分、養(yǎng)分等土壤環(huán)境,從而影響溫室氣體剖面分布及排放”;“(2)施氮與覆膜通過調(diào)控玉米生長,進一步影響溫室氣體剖面分布及排放,并因作物生育期不同而異”的真?zhèn)?回答旱作農(nóng)田土壤溫室氣體剖面分布及凈排放對作物、施氮和覆膜的響應(yīng)規(guī)律。取得的主要進展有:(1)與不種植作物相比(不種植玉米+不施氮:C0;不種植玉米+施氮:CN),種植玉米(種植玉米+不施氮:P0;種植玉米+施氮:PN)降低了玉米生育期10-50cm各土層溫度,土壤孔隙含水量(WFPS)和0-20 cm土層礦質(zhì)氮含量,并顯著增加了0-20 cm各土層氣體相對擴散系數(shù)。施氮顯著增加了玉米葉面積指數(shù)、地上部干物質(zhì),吸氮量以及產(chǎn)量。在2014和2015年,與P0處理相比,PN處理分別顯著降低了0-20 cm和0-50 cm各土層生育期平均土壤WFPS,并顯著增加了0-10 cm和10-20 cm土層氣體相對擴散系數(shù)。(2)土壤剖面10-50 cm各土層CO_2濃度和擴散通量隨玉米生長而產(chǎn)生季節(jié)變化。種植玉米顯著增加10-50 cm各土層CO_2濃度和擴散通量。在2015年,種植玉米時施氮顯著降低了0-30 cm各土層CO_2濃度。在2014和2015年,不種植玉米時施氮對土壤CO_2擴散通量無顯著影響;種植玉米時施氮分別增加了玉米生育期0-50 cm土層植物源累積CO_2擴散通量19%和20%,從而增加0-50cm土層總CO_2累積擴散通量4%(P0.05)和14%(P0.05)。各土層植物源對土壤總CO_2擴散通量貢獻比例隨玉米生長而發(fā)生動態(tài)變化。P0和PN處理0-50 cm整個剖面兩年植物源CO_2累積擴散通量貢獻比例平均值分別為0.46和0.51。(3)土壤剖面N_2O濃度高峰主要出現(xiàn)在大雨之后;土壤表面N_2O排放高峰主要出現(xiàn)在施肥和降雨之后;土壤水分和溫度是影響土壤N_2O剖面分布和表面排放的關(guān)鍵因子。施氮顯著增加了0-50 cm各土層N_2O濃度和及凈排放。由于玉米生長降低了土壤含水量而不利于N_2O產(chǎn)生,在2014和2015年,施氮時種植玉米分別顯著降低了生育期N_2O累積凈排放9%和15%和0-10 cm土層N_2O累積擴散通量18%。0-10 cm土層擴散通量和靜態(tài)箱法測定的N_2O排放速率時間變化規(guī)律一致。然而,當N_2O排放速率較高時,濃度梯度法和靜態(tài)箱法存在較大差異,原因主要是最接近地表10 cm處氣體采集器不能監(jiān)測到10 cm以上區(qū)域N_2O產(chǎn)生和消耗過程。(4)土壤剖面CH_4擴散速率受玉米生長影響呈現(xiàn)季節(jié)變化。0-20 cm土層CH_4累積擴散通量占0-50 cm土層總CH_4擴散通量49%-58%。土壤表面CH_4凈吸收速率與土壤溫度和WFPS分別呈顯著正相關(guān)和負相關(guān)。2014和2015年,與不種植作物相比,種植玉米顯著增加玉米生育期0-30 cm各土層CH_4累積擴散通量以及表面凈吸收。原因主要是玉米生長通過消耗土壤水分提高氣體擴散系數(shù)而促進CH_4吸收。不種植玉米時施氮對土壤剖面CH_4濃度、擴散通量和表面凈吸收均無顯著影響。種植玉米時施氮在兩年分別顯著增加了玉米生育期CH_4累積凈吸收9%和15%,以及0-10 cm和0-40 cm各土層CH_4累積擴散通量。這主要是由于施氮通過改變土壤含水量而影響甲烷吸收。(5)不種植玉米時,與不覆蓋(CNM)相比,地膜覆蓋(CNM)在生長季整體增加了0-50 cm各土層溫度。種植玉米時,地膜覆蓋(PNM)主要增加了播種期到6月底之間土壤溫度。覆膜顯著增加0-50 cm土壤WFPS。覆膜使玉米出苗和生育期提前。不種植玉米時覆膜增加了整個生長季土壤剖面CO_2濃度和累積排放;種植玉米時覆膜主要增加了從播種期到8月底之間土壤剖面CO_2濃度和CO_2凈排放速率。覆膜顯著增加10-50 cm各土層N_2O濃度,并顯著增加兩年生育期平均N_2O累積排放量12%-38%。在2014和2015年,不種植玉米時覆膜分別顯著降低生育期土壤表面CH_4累積吸收量19%和26%,并顯著降低了10-30cm各土層CH_4濃度;種植玉米時覆膜分別顯著降低了生育期土壤表面CH_4累積吸收量18%和27%,并顯著降低了10-20 cm和10-50 cm各土層CH_4濃度。(6)通過兩季田間試驗,總體上獲得了與假設(shè)相符的研究結(jié)論。種植玉米會顯著增加10-50 cm各土層CO_2濃度、擴散通量及表面凈排放。施氮主要通過增加玉米生育后期植物源CO_2擴散通量而增加0-50 cm土層CO_2累積擴散通量。在不種植玉米條件下,覆膜顯著增加了整個生育期10-50 cm各土層CO_2濃度和表面凈排放;在種植玉米條件下,覆膜主要增加了播種期至8月中旬土壤剖面CO_2濃度和表面凈排放。種植玉米主要通過降低土壤水分而降低10 cm土層N_2O濃度、擴散通量及表面凈排放。施氮和覆膜均能夠顯著增加10-50 cm各土層N_2O濃度和表面凈排放。種植玉米通過降低土壤水分而增加10-30 cm土層CH_4擴散通量和凈吸收,并且主要發(fā)生在拔節(jié)期以后。施氮通過促進玉米生長進一步降低土壤水分和增加CH_4吸收。覆膜因增加土壤水分和物理阻隔作用降低10-30 cm土層CH_4濃度和表面凈吸收。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S513;S154.1

【參考文獻】

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本文編號：2637715