【摘要】：土壤鹽堿化出現(xiàn)在世界各大洲的干旱、半干旱以致半濕潤地區(qū)，是一個(gè)世界性的資源問題和生態(tài)問題。松嫩平原是世界三大蘇打鹽堿土集中分布區(qū)之一，吉林省堿化土地2.18×106hm2，接近總土地面積的11.5%，其中約1/5開墾為耕地，土壤肥力普遍不高，適宜旱作農(nóng)業(yè)利用的高產(chǎn)土壤較少，作物平均單產(chǎn)普遍較低。吉林西部土地開發(fā)整理重大項(xiàng)目啟動(dòng)的目的是引松花江、嫩江水對(duì)鹽堿地等進(jìn)行土壤改良，將其改造成為高產(chǎn)水田，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。國內(nèi)外關(guān)于鹽堿土改良、農(nóng)田溫室氣體排放和土壤碳儲(chǔ)量的研究較為多見，技術(shù)手段也較為成熟，取得了一定的進(jìn)展。導(dǎo)師所領(lǐng)導(dǎo)的課題組也已在吉林西部開展了相關(guān)研究。但以往研究中，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和溫室氣體排放量或以模型模擬得出，或?qū)⒁巴�、小區(qū)試驗(yàn)采樣測試結(jié)果作為區(qū)域平均值進(jìn)行計(jì)算。兩種方法均未考慮不同開發(fā)年限水田的土壤基本化學(xué)性質(zhì)與溫室氣體排放量均有較大差異，這些差異會(huì)對(duì)估算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。 這種背景下，本研究在導(dǎo)師湯潔教授主持的國家自然科學(xué)基金“吉林西部50年來LUCC對(duì)土壤有機(jī)碳影響及驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究”及“吉林鹽堿水田區(qū)全年候土壤有機(jī)碳變化機(jī)理及變暖潛勢研究”支持下，通過野外實(shí)地采樣和小區(qū)試驗(yàn)，分析水稻種植與土壤基本化學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系，模擬不同氮肥施放量對(duì)新開發(fā)水田和成熟水田溫室氣體排放量的影響，計(jì)算不同開發(fā)年限水田土壤有機(jī)碳密度和溫室氣體排放通量，估算不同年份土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和溫室氣體排放總量及區(qū)域變暖潛勢。研究結(jié)果在探究土地整理對(duì)區(qū)域溫室氣體排放和土壤有機(jī)碳積累的影響，探索區(qū)域尺度的碳循環(huán)狀況，為全球氣候變化提供局地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持等方面具有重要的意義。本文的主要研究結(jié)果如下： 水稻種植對(duì)吉林西部鹽堿水田土壤基本化學(xué)性質(zhì)有較大影響：土壤pH值由開發(fā)前9.72~9.93下降到8.16~8.47；土壤電導(dǎo)率由1.27~1.38mS/cm下降到0.35~0.44mS/cm；土壤水解氮由27.89~33.51mg/kg上升到70.16~92.48mg/kg；土壤有機(jī)碳由2.36~2.53g/kg上升到16.58~21.59g/kg。土壤基本化學(xué)性質(zhì)均受水稻植株生長狀況、氣候條件和微生物活動(dòng)的綜合作用影響。其中土壤水解氮含量受到氮肥的影響較為明顯。土地整理工程能夠?qū)⒃摰貐^(qū)原有的具有極強(qiáng)堿性、重度鹽化、養(yǎng)分貧瘠特性的鹽堿土壤，改良為堿性和強(qiáng)堿性、中度和輕度鹽化、碳氮含量較高的水田土壤，對(duì)區(qū)域土壤環(huán)境改善有積極的作用。 吉林西部鹽堿水田生長季CO2氣體排放通量隨水田開發(fā)年限的增加而增加，且年變化率較為接近；CH4氣體排放通量在水田開發(fā)初期呈現(xiàn)增長趨勢，在開發(fā)年限為35年以上的樣地中有所降低，55年以上樣地氣體排放通量最大；N2O氣體排放通量變化趨勢為先降低后增加；隨開發(fā)年限的增加，CO2、CH4和N2O三種溫室氣體累積排放總量均呈遞增趨勢。土壤基本化學(xué)性質(zhì)多以復(fù)合或間接方式對(duì)溫室氣體排放造成影響。在0.05的顯著性水平下，CO2、CH4和N2O三種溫室氣體年均排放通量和累積排放總量與土壤pH值不存在相關(guān)關(guān)系；與土壤電導(dǎo)率值均呈負(fù)相關(guān)；與土壤水解氮和土壤有機(jī)碳均呈正相關(guān)。 吉林西部鹽堿水田生長季溫室氣體排放特征，成熟和新開發(fā)水田相差不大，CO2氣體排放通量隨水稻生長逐漸升高，在水稻分蘗期后、拔節(jié)孕穗期至成熟期排放量持續(xù)較高，7月中旬和8月中旬（抽穗開花期），CO2氣體排放通量有明顯的低值。成熟水田CH4氣體在分蘗期后出現(xiàn)了一個(gè)排放峰，此后排放量逐漸升高，至拔節(jié)孕穗期達(dá)到峰值后不斷波動(dòng)，至抽穗開花期出現(xiàn)又一峰值，此后排放量逐漸下降，CH4氣體季節(jié)排放平均通量呈現(xiàn)單峰趨勢；新開發(fā)水田CH4氣體排放特征在水稻生長初期與成熟水田規(guī)律基本相同。成熟水田和新開發(fā)水田N2O氣體排放特征無明顯變化，在無氮處理下，N2O氣體排放呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，無明顯排放峰值，且排放量很��；受到施肥的影響，N2O氣體排放出現(xiàn)四個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)4次施肥期。與成熟水田相比，新開發(fā)水田三種溫室氣體排放平均通量和總排放量均明顯偏低，排除氮肥和溫度的影響，主要與土壤pH值偏高、含鹽量偏大、可利用氮素和土壤有機(jī)質(zhì)含量較低有關(guān)。 氮肥施加對(duì)新開發(fā)和成熟水田CO2氣體排放通量均有顯著影響，但并未影響CO2氣體排放通量的變化規(guī)律，CO2氣體排放特征受溫度和降水影響較大，氮肥主要通過影響土壤水解氮和有機(jī)碳含量進(jìn)而促進(jìn)CO2氣體的排放。兩種水田CO2氣體累積排放量隨著氮肥施放量的增加而顯著增加，施肥在一定程度上提高了稻田CO2氣體排放的速率。氮肥施加對(duì)新開發(fā)水田CH4氣體排放通量影響在初期較為顯著，主要表現(xiàn)為在氮肥作用下CH4氣體排放第一個(gè)峰值較不施肥有明顯上升，后期影響不大；成熟水田CH4氣體排放的峰值在氮肥作用下較不施肥有明顯上升，但不同處理間PN60（成熟水田低肥量60kg/hm2）和PN150（成熟水田常規(guī)肥量150kg/hm2）排放峰相差不大，PN250（成熟水田高肥量250kg/hm2）較其他處理排放量顯著增加，尤其是在7月中旬出現(xiàn)較大峰值。N250處理下新開發(fā)水田和成熟水田CH4氣體季節(jié)累積排放量較N0處理下有顯著提升，N60和N150處理下成熟水田CH4氣體季節(jié)累積排放量較無氮處理有明顯提升，但對(duì)新開發(fā)水田影響不大。氮肥施加對(duì)成熟水田N2O氣體排放通量只帶來排放峰出現(xiàn)這一影響，相對(duì)于成熟水田來說，新開發(fā)水田輸入氮肥后排放峰值較低，但其他時(shí)間N2O氣體排放通量增加較為明顯。成熟水田和新開發(fā)水田在N0和N60處理下，其各生育期N2O氣體排放季節(jié)累積量占總量的比率較為平均，N150和N250處理由于N2O氣體平均通量在返青期顯著增加，因此返青期季節(jié)累積量所占比例顯著高于其他發(fā)育期。水田CO2氣體累積排放量隨著氮肥施放量的增加而顯著增加。 新開發(fā)水田和成熟水田溫室氣體排放量（以CO2計(jì)）均隨氮肥施用量的增加而增加，氮肥對(duì)區(qū)域綜合溫室效應(yīng)影響很大。由于CO2氣體排放量較大，各種處理下貢獻(xiàn)率均占主導(dǎo)地位；CH4氣體貢獻(xiàn)率明顯高于N2O，說明水田CH4氣體的排放對(duì)區(qū)域綜合溫室效應(yīng)影響顯著。不同生育期溫室氣體排放量（以CO2計(jì)）由高到低排序?yàn)椋喊喂?jié)孕穗期分蘗期成熟期抽穗開花期返青期。拔節(jié)孕穗期兩種水田不同處理下CO2氣體貢獻(xiàn)率均較低，說明CH4和N2O氣體的排放為區(qū)域溫室效應(yīng)的主要影響因素，減少穗肥施肥量有利于降低CH4和N2O氣體的排放量，從而減少區(qū)域綜合溫室效應(yīng)。 吉林西部鹽堿水田區(qū)土壤有機(jī)碳密度隨水田開發(fā)年限的增加而增加，且增加速率逐漸放緩；土壤碳密度縱向分布表現(xiàn)為隨深度的增加逐級(jí)遞減。近20年來研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量不斷增加，1990年、2000年、2012年和土地整理完工年有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為3.84×106t、7.85×106t、21.03×106t和28.38×106t，土壤平均有機(jī)碳密度為95.10t/hm2、108.07t/hm2、87.03t/hm2和55.46t/hm2。1990年-2012年的20年間研究區(qū)為有機(jī)碳匯過程，水田土壤有機(jī)碳固碳量為17.19×106t，2012年到土地開發(fā)整理工程完工后，預(yù)計(jì)區(qū)域水田土壤有機(jī)碳固碳量將達(dá)7.34×106t，2012年到土地開發(fā)整理工程完工后，預(yù)計(jì)區(qū)域水田土壤有機(jī)碳固碳量將達(dá)734.33×104t，有利于區(qū)域的土壤碳截存。本區(qū)水田土壤有機(jī)碳總體低于全國平均水平，由于水田開發(fā)年限較短，其土壤有機(jī)碳密度在全國處于中等偏低的水平，但仍有巨大的固碳潛力。 對(duì)不同開發(fā)年限水田生育期CO2、CH4和N2O三種溫室氣體排放量（以CO2氣體計(jì)）及貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論：水稻種植期間，返青期和成熟期CO2氣體排放占主導(dǎo)地位，CH4和N2O兩種氣體在返青期水平相當(dāng)，在成熟期前者較后者略有優(yōu)勢；在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期，CO2氣體排放貢獻(xiàn)率下降，CH4氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)比重加大，遠(yuǎn)高于N2O氣體。不同開發(fā)年限水田生長季溫室氣體排放總量（以CO2氣體計(jì)）呈遞增趨勢。其中CO2氣體排放占主要地位，貢獻(xiàn)率在80%左右，CH4的貢獻(xiàn)率16.69%~20.39%，N2O為0.93%~1.37%，水田CH4氣體的排放對(duì)溫室效應(yīng)有較大貢獻(xiàn)。開發(fā)1年以上、5年以上、15年以上、25年以上、35年以上和55年以上的溫室氣體年排放量分別為2,152.76gCO2-eqv/m2、2,565.49gCO2-eqv/m2、2,889.53gCO2-eqv/m2、3,176.82gCO2-eqv/m2、3,358.77gCO2-eqv/m2和3,493.54gCO2-eqv/m2。2012年三種溫室氣體平均排放率分別為2,102.32g/m2a、18.31g/m2a和101.90mg/m2a。CO2氣體平均排放率在東北地區(qū)農(nóng)田CO2氣體排放值范圍內(nèi)，處于國內(nèi)中等水平；CH4氣體平均排放率略高于部分地區(qū)，但遠(yuǎn)低于全國水平；N2O氣體平均排放率處于全國較低水平。 1990年、2000年、2012年和土地整理完工年吉林西部鹽堿水田GWP分別為1.07×106tCO2-eqv.、1.99×106tCO2-eqv.、6.26×106tCO2-eqv.和12.07×106tCO2-eqv.，說明吉林西部鹽堿水田表現(xiàn)為碳釋放，對(duì)全球變暖做出了貢獻(xiàn)，土地整理工程在一定程度上促進(jìn)了區(qū)域溫室氣體的排放。 以往研究多單一關(guān)注區(qū)域有機(jī)碳截存或溫室氣體排放量，或利用模型模擬二者之前的平衡關(guān)系；本研究針對(duì)不同基準(zhǔn)年水田不同開發(fā)年限的面積所占比率、溫室氣體排放量及土壤有機(jī)碳密度均有所不同這一實(shí)際情況，利用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)不同年份有機(jī)碳儲(chǔ)量和溫室氣體排放量進(jìn)行計(jì)算，估算2012年生長季區(qū)域變暖潛勢。這一研究結(jié)果在探討水稻種植對(duì)區(qū)域溫室效應(yīng)的實(shí)際貢獻(xiàn)，綜合評(píng)判土地開發(fā)整理工程對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響等方面，具有積極的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X144

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2791627