過量施肥是目前我國水稻種植業(yè)中普遍存在的問題,由于過高的施肥水平和較低的氮素利用率,施肥投入的氮僅有小部分能被作物吸收利用,而大部分將通過不同的途徑流失到周邊環(huán)境中,進(jìn)而引起一系列的環(huán)境污染問題。例如,氮素的地表徑流流失是造成地表水體富營養(yǎng)化的主要原因;氮素的滲漏流失則會(huì)引起地下水的硝酸鹽污染,嚴(yán)重威脅人類飲水安全;而氮素的氣態(tài)損失如N_2O的排放等則是全球氣候變暖的主要貢獻(xiàn)者。隨著世界人口的持續(xù)增長和對(duì)糧食需求的進(jìn)一步增高,這些環(huán)境問題將有可能進(jìn)一步惡化,因此,解決水稻生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題迫在眉睫。目前,有關(guān)稻田氮素流失和溫室氣體排放的傳統(tǒng)研究以大田實(shí)驗(yàn)和土柱實(shí)驗(yàn)等手段為主,雖然研究結(jié)果可靠,但這些野外觀測實(shí)驗(yàn)需要消耗大量的時(shí)間,同時(shí)也需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,投入巨大。本文以傳統(tǒng)的野外觀測實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了不同施肥方式下稻田系統(tǒng)的氮素流失和溫室氣體排放特征,同時(shí)結(jié)合生物地球化學(xué)模型——DNDC模型的使用,進(jìn)行了一系列的情景模擬試驗(yàn),對(duì)稻田系統(tǒng)中的最佳施肥方式進(jìn)行探索,在保證水稻最大產(chǎn)量的前提下盡可能的減少水稻生產(chǎn)過程對(duì)周邊環(huán)境的污染輸出,這對(duì)于我國的糧食安全和環(huán)境保護(hù)均具有十分重要的意義。主要研究結(jié)果如下:1.采用測坑定位實(shí)驗(yàn)對(duì)施肥條件下稻田系統(tǒng)的氮素流失特征進(jìn)行監(jiān)測,研究不同施肥方式對(duì)稻田氮素流失的影響,同時(shí)測坑實(shí)驗(yàn)所獲得的野外觀測數(shù)據(jù)將用于DNDC模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。結(jié)果表明,施用尿素的稻田產(chǎn)生的氮素流失負(fù)荷最高,為18.79 kg N/hm~2;施用有機(jī)肥能夠顯著降低稻田氮素流失,與施用尿素的CT處理相比,施用有機(jī)肥的MT和OT處理能夠分別減少21.86%和30.41%的稻田氮素流失負(fù)荷;施肥和降雨是影響稻田氮素流失的主要因素,稻田地表徑流排水量(Y)和降雨量(X)之間的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式Y(jié)=0.91X-12.78來表示;與滲漏流失相比,地表徑流是稻田氮素流失的主要方式;三種施肥處理的稻田其氮流失系數(shù)(流失量在總施氮量中所占的比例)為3.12%~5.02%,其中,地表徑流流失占2.61%~3.94%,而滲漏流失僅占0.50%~1.08%。2.在測坑定位實(shí)驗(yàn)過程中,采用靜態(tài)箱采集-氣相色譜測定的方法同時(shí)研究了三種施肥方式下稻田溫室氣體的排放特征。結(jié)果表明,施肥會(huì)顯著增加稻田系統(tǒng)呼吸作用的CO_2排放,但三種不同施肥方式之間差異不顯著,稻田CO_2的排放主要與土壤的通氣條件有關(guān);整個(gè)水稻生長季,施用尿素的CT處理所產(chǎn)生的N_2O平均排放通量最高,為1.81kg/hm~2,而施用有機(jī)肥的OT處理所產(chǎn)生的CH_4平均排放通量最高,為283.02 kg/hm~2,即稻田施用有機(jī)肥能夠顯著降低N_2O的排放通量,但同時(shí)也會(huì)顯著增加CH_4的排放通量;對(duì)于稻田CH_4和N_2O排放的綜合增溫潛能(GWP)則是施用有機(jī)肥的OT處理最高,為7.24×10~3 kg CO_2/hm~2;稻田CH_4和N_2O的排放均與施肥和田間水分管理密切相關(guān),其中,CH_4的排放通常出現(xiàn)在水稻淹水期,而N_2O的排放則往往出現(xiàn)在施肥后或田間水分管理發(fā)生變化時(shí)。3.利用測坑定位實(shí)驗(yàn)所獲得的野外觀測數(shù)據(jù)對(duì)DNDC模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,探索DNDC模型模擬稻田氮素流失的可行性。在模型運(yùn)行前,根據(jù)水稻田的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水分管理特征對(duì)DNDC模型中相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行修正,主要包括以下5個(gè)參數(shù):(1)稻田田埂高度,(2)滲漏水下滲速率,(3)肥料氮在田面水中的溶解,(4)施肥后氮在稻田土壤和田面水中的分配比,(5)灌溉水中的氮濃度。運(yùn)行修正后的模型對(duì)不同施肥方式下稻田系統(tǒng)的氮素流失進(jìn)行模擬,并將模擬結(jié)果和野外觀測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從而驗(yàn)證DNDC模型的可行性。驗(yàn)證結(jié)果表明:修正后的DNDC模型不僅準(zhǔn)確的模擬了不同施肥方式下稻田的氮素流失負(fù)荷,同時(shí)也較好的再現(xiàn)了稻田氮素流失的動(dòng)態(tài)過程,相關(guān)性分析也表明模型的模擬結(jié)果與野外觀測結(jié)果之間高度相關(guān);參數(shù)修正后,DNDC模型仍然保持了對(duì)水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放模擬的良好表現(xiàn);此外,模型的模擬結(jié)果也與野外觀測規(guī)律一致,均表明施用有機(jī)肥能夠顯著降低稻田氮素流失,但同時(shí)也會(huì)增加以CH_4為主的稻田溫室氣體的排放。4.運(yùn)行驗(yàn)證后的DNDC模型對(duì)稻田的氮素流失和溫室氣體排放進(jìn)行情景分析、區(qū)域模擬和敏感性分析,以此探索適用于稻田的最佳施肥方式。情景分析結(jié)果表明若稻田單獨(dú)施用尿素,則最佳施肥量為250 kg N/hm~2;若稻田長期堅(jiān)持施用有機(jī)肥,則最佳施肥量為300 kg N/hm~2;與單獨(dú)施用尿素或有機(jī)肥相比,二者的混合施用是更加有效和環(huán)保的施肥方式,最佳配施比例為150 kg N/hm~2尿素加100 kg N/hm~2有機(jī)肥,有機(jī)無機(jī)配施不僅能夠維持最佳水稻產(chǎn)量,同時(shí)也能顯著降低稻田氮素流失;區(qū)域模擬的結(jié)果表明上海地區(qū)的水稻種植業(yè)對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力,以2013年為例,稻田產(chǎn)生的氮流失總量高達(dá)1142.48 t,N_2O排放量高達(dá)160.75 t,CH_4排放量則高達(dá)3.10萬t,若稻田能夠采用有機(jī)無機(jī)配施的最佳施肥方式,雖然會(huì)在一定程度上增加稻田溫室氣體的排放,但卻能夠減少458.36 t的氮素流失負(fù)荷;敏感性分析則表明施肥、降雨和土壤性質(zhì)是影響稻田氮素流失和溫室氣體排放的主要因素,但影響不同碳氮去向的最敏感性因素不同,稻田最佳施肥方式的選擇應(yīng)當(dāng)綜合考慮對(duì)水稻產(chǎn)量、稻田氮素流失以及溫室氣體排放的影響,以此尋求水稻生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境之間的平衡。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：S153.6;S511
【部分圖文】：

研究背景水稻（Oryza sativa）是世界上最主要的糧食作物之一，全球有超過三分之一的米作為主食[1]。水稻主要種植在亞洲，亞洲的水稻產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的 90是世界上水稻種植的大國，擁有悠久的水稻種植歷史，至少可追溯至 7000 年前，水稻也是我國種植面積最大的糧食作物，約占我國糧食總種植面積的 23%[4糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[5]，我國水稻的種植面積由上世紀(jì) 60 年代的 2700 萬到了現(xiàn)在的 3000 萬公頃左右，約占世界水稻總種植面積的 18%，如圖 1-1 所去的 50 多年中，我國水稻的產(chǎn)量也處于上升趨勢，2013 年的產(chǎn)量約占世界總30%，如圖 1-2 所示。不難看出我國水稻的單產(chǎn)處于世界領(lǐng)先水平，用僅占世界稻種植面積生產(chǎn)出了占世界 30%的稻米產(chǎn)量。

圖 1-2 1961~2013 年中國和世界水稻產(chǎn)量Fig. 1-2 Rice production quantities for China and World from 1961 to 2013近 50 年來，世界水稻的總產(chǎn)量也處于持續(xù)增產(chǎn)狀態(tài)，而這主要?dú)w功于工業(yè)革學(xué)肥料的出現(xiàn)和使用。相關(guān)資料表明，化肥的使用對(duì)世界糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率~60%，對(duì)我國糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)也在 40%左右[6, 7]，我國水稻的高產(chǎn)也與較高的分不開。調(diào)查研究表明，我國單季稻的氮肥施用量平均約為 180 kg N/hm2，比水平高 75%[8]。在我國某些地區(qū)，稻田氮肥的施用量卻遠(yuǎn)高于該水平，如江蘇區(qū)稻田的施氮水平約為 300 kg N/hm2[9, 10]；而在太湖流域某些高產(chǎn)稻田中，施高達(dá) 350 kg N/hm2[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，21 世紀(jì)初我國施氮水平超過 250 kg N/hm2和 3m2的稻田就分別占全國水稻總種植面積的 30%和 13%[12]，如此高的施肥水平已出了相關(guān)研究人員所建議的稻田最佳施肥量[13, 14]。近 10 年來，我國氮肥的總不斷升高，這也與我國稻田的高施肥水平分不開，目前我國已經(jīng)成為了世界上肥消費(fèi)國，氮肥總使用量已經(jīng)超過了世界總使用量的 30%，僅 2010 年的使用

圖 1-3 2002~2010 年中國和世界氮肥使用量Fig. 1-3 Consumption of nitrogen fertilizer for China and World from 2002 to 2010值得注意的是，雖然我國的氮肥使用量較高，居于世界首位，但我國農(nóng)田的氮卻較低，僅為 30%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的平均水平[15]。而氮肥的高施用用率就意味著施肥投入的氮只有很小一部分能被作物吸收利用，而絕大部分的不同的途徑流失到周邊環(huán)境中，進(jìn)而引起一系列的環(huán)境污染問題[16, 17]。如氮素失不僅會(huì)引起地表水體的富營養(yǎng)化，同時(shí)也是造成地下水硝酸鹽污染的主要原影響人類的飲水安全[18, 19]；而氮素的氣態(tài)損失會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成污染，如稻田 N2O 等的排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一[20]，而稻田氨揮發(fā)（NH3起酸雨等環(huán)境問題[21]。由此可見，雖然稻田是人類生存和發(fā)展的重要食物來源化學(xué)肥料的使用，稻田也對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力。近年來，稻田氮素起的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為了國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。我國水稻田普遍采用傳統(tǒng)的“淹灌+中期烤田”的水分管理方式，水稻種植過

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2807777