【摘要】：近年來,隨著人們生活水平的不斷提高,蔬菜在我國居民食物中的占比越來越高。隨著蔬菜需求量逐漸增加,大量的稻田被轉變?yōu)槭卟朔N植,并已成為了一種常見的農業(yè)土地利用轉變方式。稻田轉菜地雖然提升了經濟效益,但同時也帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。菜地具有復種指數高、施氮量大和灌溉頻繁等特點。這些管理措施對土壤肥力、有機碳礦化和溫室氣體排放等方面都具有十分重要的影響。然而,稻田轉為菜地如何影響生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放?特別是這種影響在稻田轉為菜地后的不同時間階段是否存在差異,目前并不是很清楚。為此,有必要研究稻田轉為菜地后生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放特征及其演變過程,全面深入理解農業(yè)土地利用方式轉變所引起的環(huán)境問題,為實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和減緩溫室氣體排放等相關政策的制定提供理論依據和有效的農田管理措施。本研究在位于湖南省長沙縣的中國科學院長沙農業(yè)環(huán)境觀測研究站選取了6塊長期種植水稻的雙季稻田(早稻-晚稻-休閑),隨機選取其中的3塊水稻田排水落干,并將其轉化為菜地,剩余的3塊稻田作為對照繼續(xù)種植雙季稻。每塊稻田和菜地一分為二,設置兩種施氮肥處理:不施加氮肥和常規(guī)施氮肥處理,每個處理設置3個重復。對稻田和由稻田轉變的菜地的生態(tài)系統(tǒng)碳平衡(NECB)相關指標、土壤溫室氣體(CO_2,CH_4和N_2O)排放、土壤可溶性有機碳(DOC)、銨態(tài)氮(NH_4~+-N)、硝態(tài)氮(NO_3~--N)和相關環(huán)境因子連續(xù)監(jiān)測4年。得出的主要研究結果如下:1.稻田轉菜地顯著提高了土壤有機碳礦化的溫度敏感性,加速了土壤有機碳礦化過程。與稻田生態(tài)系統(tǒng)相比,稻田轉為蔬菜種植后碳輸入量減少了44%-52%,土壤有機碳礦化量增加了46%-59%,引起了大量的土壤碳損失(2.6-4.5 Mg C ha~(-1)yr~(-1))。土壤碳損失量在稻田轉為蔬菜種植的第1年最大,后續(xù)3年逐年降低。氮肥施加促使稻田由弱的碳源變?yōu)樘紖R,同時也減緩了稻田轉為蔬菜種植引起的土壤碳損失強度。2.稻田CH_4排放有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律:水稻生長季CH_4排放通量高,休閑季CH_4排放通量低。水稻生長季CH_4排放量占全年總CH_4排放量的94%-99%。土壤NH_4~+-N、溫度和水分含量是稻田CH_4排放季節(jié)性變化的關鍵驅動因子,在整個觀測期可以解釋稻田CH_4排放通量季節(jié)性變化的70%。凈初級生產力是控制稻田CH_4排放年際變化的關鍵因子:水稻凈初級生產力越高,稻田年CH_4的排放量越大。3.稻田轉菜地顯著降低了CH_4排放,降低量為稻田CH_4排放量的96%-97%。稻田轉菜地對CH_4排放的影響具有時間滯后效應:菜地第1年的CH_4排放強度顯著高于后續(xù)3年。氮肥施加對稻田和菜地的CH_4排放無顯著影響。4.稻田轉為蔬菜種植引起了大量的N_2O排放,特別是在轉變的第1年。菜地N_2O排放的年際變化和蔬菜凈初級生產力的年際變化密切相關。菜地N_2O排放主要集中在夏季土壤溫度高于20℃的時段。而在此時間段內,土壤硝態(tài)氮和含水率是控制菜地N_2O排放的關鍵因子,反硝化過程是菜地N_2O產生的主要途徑。在4年觀測期間,菜地N_2O排放通量和土壤異養(yǎng)呼吸速率呈現(xiàn)顯著正相關關系。而且,菜地土壤異養(yǎng)呼吸對其N_2O排放通量變化的影響在第1年高于后續(xù)3年。這些研究結果表明稻田轉為蔬菜種植后,特別是在轉變初期,有機質礦化過程對菜地N_2O排放有重要貢獻。因此,需要重新評估農業(yè)土壤N_2O排放因子,慎重考慮土地利用方式轉變過程中土壤有機質礦化對N_2O排放的貢獻。5.在100年尺度CO_2當量下,稻田轉為蔬菜種植的第1年,增加的土壤碳損失量和N_2O排放量高于減少的CH_4排放量,導致菜地的綜合增溫潛勢相對于稻田增加了116%-395%。然而,稻田轉為蔬菜種植的第2-4年,減少的CH_4排放量完全抵消了增加的土壤碳損失和N_2O排放量,使菜地的綜合增溫潛勢和稻田相比無顯著差異。氮肥施加顯著增加了CH_4對稻田綜合增溫潛勢的貢獻率,但對稻田的綜合增溫潛勢的影響不顯著。稻田轉為蔬菜種植的第1年,氮肥施加引起的菜地N_2O排放的增加量高于菜地土壤碳損失的減少量,從而增強了綜合增溫潛勢對稻田轉菜地的響應。以上這些研究結果表明稻田轉菜地對綜合增溫潛勢的影響主要集中在該土地利用方式轉變的第1年。綜上所述,稻田轉為蔬菜種植引起了大量的土壤碳損失,碳損失強度逐年減弱。氮肥施加緩解了稻田轉菜地引起的土壤碳損失量。稻田轉菜地顯著增強了N_2O排放,降低了CH_4排放,同時增強了菜地第1年的綜合增溫潛勢。稻田CH_4和菜地N_2O排放的年際變化和生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力的變化密切相關。土壤有機質礦化過程對菜地N_2O排放有重要貢獻。這些研究結果表明在評價土地利用方式轉變所引起的環(huán)境效應時,應該關注轉變初始階段的生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放特征,及時采取有效的固碳減排措施,緩解土地利用方式轉變引起的土壤碳損失和溫室氣體排放,實現(xiàn)環(huán)境友好型農業(yè)可持續(xù)生產。
【圖文】：

華中農業(yè)大學 2018 屆博士研究生學位論文表 1-1 大氣中主要溫室氣體及其特征le 1-1 The main greenhouse gases and their properties in the atmosphere (IPCC大氣中濃度(ppmv) 增長率 平均壽命 GWP100a輻射1750 年 2011 年 (%) (年) (CO2當量) (W2280 391 40 1 1.3340.715 1.803 152 12.4 28 0.74 0.270 0.324 20 121 265 0.13度全球增溫潛勢

口以水稻為主食。2016 年全球水稻種植面積為 165 Mha，主要分布在亞洲（143.4Mha），其次是非洲（10.5 Mha）和美洲（7.2 Mha）(FAO 2017)。中國是全球最大的水稻生產國和消費國，水稻種植面積達 30Mha，占全國總耕地面積的 23%，水稻年產量占世界總產量的 35%，中國有超過 60%的居民以稻米為主食(FAO 2017)。由于水稻生長需要消耗大量的水資源，，我國的水稻種植主要分布在長江流域和淮河流域。這些地區(qū)降雨量充沛，氣溫高，日照時間長，適合水稻生長，因此有早稻-晚稻-休閑、水稻-綠肥輪作、水稻-小麥輪作和水稻-油菜輪作等種植模式(周煒等 2017)。稻田是重要的溫室氣體排放源，研究表明我國稻田 CH4排放強度為 4.8 Tg CH4-C yr-1，N2O 排放強度為 114.5 Gg N2O-N yr-1(Zhang et al. 2014, Weller et al. 2016, Zhang et al.2016a)。近年來，隨著社會經濟的發(fā)展，人們生活水平的提高和膳食結構的變化，越來越多的農業(yè)生產者為了追求較高的經濟效益，將部分水稻田排水落干，轉變?yōu)橛衩�、水果和蔬菜等旱地作物種植(Hao et al. 2008, Lu et al. 2010, Kraus et al. 2016)。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S181

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本文編號：2625565