溫室氣體被認(rèn)為是全球氣候變化的主要原因之一,而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)又是人為溫室氣體排放的主要來源,如何在不同的農(nóng)業(yè)管理體系下減少溫室氣體排放量是人類當(dāng)前面臨的重要問題之一。對(duì)于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)這個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)來說,土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量及其固碳能力是評(píng)估人為溫室氣體減排潛力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。在未知?dú)夂蜃兓尘跋?研究管理措施對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)機(jī)理,了解生態(tài)系統(tǒng)中的脆弱點(diǎn),確定相關(guān)管理目標(biāo)之間的量化關(guān)系,這些都有助于建立農(nóng)田可持續(xù)管理方案。本研究以甘肅河西地區(qū)黑河中游綠洲夏玉米農(nóng)田為對(duì)象,以野外實(shí)地調(diào)查和田間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證反硝化與降解模型(denitrification-decomposition model,DNDC模型)模擬的有效性,利用DNDC模型模擬該試驗(yàn)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列下的溫室氣體通量與土壤有機(jī)碳含量,通過敏感性分析尋找眾多不確定因素中對(duì)各研究目標(biāo)有重要影響的敏感因素,并分析、測(cè)算其相對(duì)敏感度。 (1)在鉀肥、磷肥、翻耕、灌溉等都保持一致的前提下設(shè)4個(gè)施肥處理：①OM(有機(jī)肥2000kg C ha-1)；②N(尿素300kg N ha-1)；③MN(有機(jī)肥2000kg C ha-1,尿素300kg N ha-1)；④B(不施有機(jī)肥和氮肥)。實(shí)地測(cè)量了2010年黑河中游綠洲夏玉米實(shí)驗(yàn)田4種不同處理下的0-10cm土壤的溫度和濕度,地表排放N2O和CO2通量,以及0-10cm土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度,并用這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了模型的有效性。 DNDC模型對(duì)土壤溫度和濕度的模擬值和實(shí)測(cè)值的r2分別為0.98和0.67,相對(duì)誤差分別為3.5%和26.2%,p0.05；對(duì)N2O和CO2排放通量模擬的相對(duì)誤差分別為45%和25%,p0.05；對(duì)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮模擬的相對(duì)誤差分別為43%和40%,p0.05。模型在時(shí)間匹配性上表現(xiàn)優(yōu)秀,并且可以抓住各測(cè)定指標(biāo)的峰值和谷值。 通過各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證了DNDC模型模擬的有效性。4種處理中,OM和B處理中模型模擬的NO3-和NH4+的值比實(shí)際值偏低。之所以出現(xiàn)這種結(jié)果可能是由當(dāng)?shù)氐墓喔确绞揭鸬摹．?dāng)?shù)夭捎玫闹饕喔确绞綖榇笏?灌溉水主要來自地下水和河流。有研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下水和河水的硝態(tài)氮污染嚴(yán)重,但是DNDC模型(9.2版本)中沒有考慮到由灌溉水帶入的這部分氮。 (2)應(yīng)用2010年實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)和土壤理化數(shù)據(jù),模擬了4種不同施肥方案下夏玉米地土壤N2O和CO2通量、作物產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳含量和凈全球變暖潛勢(shì)(Global Warming Potential, GWP,以CO2的GWP為1)。模擬結(jié)果顯示,N2O和CO2在MN處理時(shí)的排放量最高,分別達(dá)到4.57kg N ha-1y-1和6386.35kg C ha-1y-1;作物產(chǎn)量在N和MN處理時(shí)達(dá)到最大,分別為2303和2301kg C ha-1y-1;土壤有機(jī)碳含量在MN時(shí)最大,為0.0142kg C kg-1;凈全球變暖潛勢(shì)在B處理時(shí)最大,為346kg CO2-equivalent ha-1,在MN處理時(shí)最小,為-6331kgCO2-equivalent ha-1。從以上數(shù)據(jù)可以看出,OM處理下N2O的排放量很低,0-20cm土壤剖面的SOC值保持較高水平,但是作物產(chǎn)量很低；在N處理時(shí)N2O和CO2的排放量很高,產(chǎn)量也是最高的,但是0-20cm的SOC值比較低,這不利于土壤的長(zhǎng)期健康發(fā)展；在MN處理時(shí)雖然N2O和CO2的排放量最高,但是其產(chǎn)量很高,僅次于N處理,0-20cm SOC含量達(dá)到最大值,同時(shí)凈GWP為負(fù)數(shù)并且最小,表示該處理下碳是被固定的,這說明該施肥方案有利于環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；B處理作為對(duì)照處理,其N2O和CO2的排放量、作物產(chǎn)量、0-20cm的SOC都是最低的,但是凈GWP卻是4種處理中最高的,說明該處理方式不利于溫室氣體減排和農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。 (3)通過敏感度指數(shù)可以看出,在8個(gè)待測(cè)因子中,①影響N20排放量的敏感性因子依次是土壤pH值、氮肥施用量以及土壤有機(jī)碳含量,即隨著pH的增加土壤N2O的通量減少,隨著氮肥施用量和土壤有機(jī)碳含量的增加土壤N20的通量增加；②影響CO2排放通量的敏感性因子依次是土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)肥施用量和秸稈還田率,隨著這3種因子強(qiáng)度的增加,土壤CO2通量增加；③對(duì)凈全球變暖潛勢(shì)最敏感的因子分別是土壤有機(jī)碳含量、秸稈還田率和土壤pH值,即隨著土壤有機(jī)碳含量的增加凈全球變暖潛勢(shì)減少,隨著秸稈還田率和土壤pH值的增加凈全球變暖潛勢(shì)增加。 (4)在對(duì)未來100年變化趨勢(shì)的模擬中,運(yùn)用DNDC模型預(yù)測(cè)了4種情景下SOC、N2O和凈全球變暖潛勢(shì)的長(zhǎng)期變化。結(jié)果顯示：①單純提高土壤氮素水平并不能顯著增加土壤有機(jī)碳含量,有機(jī)肥施用量和秸稈還田量是影響SOC儲(chǔ)量的關(guān)鍵因素,它們呈正相關(guān)關(guān)系；②隨著氮肥施用量的增加,土壤N2O排放通量也在增加；提高秸稈還田率和有機(jī)肥施用量可以大幅度增加土壤N2O排放通量,且有機(jī)肥對(duì)土壤N2O通量的影響最為明顯；③凈全球變暖潛勢(shì)隨著氮肥施用量的增加而增加,在不同的施氮量水平下模擬結(jié)果的年際變化趨勢(shì)一致；與基礎(chǔ)情景相比,提高秸稈還田率和有機(jī)肥施用量都將導(dǎo)致模擬后期結(jié)果的增加,但是縱觀100年的模擬結(jié)果,增加秸稈還田率是降低凈全球變暖潛勢(shì)的有效方法。 在未來的農(nóng)業(yè)管理中,提高秸稈還田率、合理減少農(nóng)田中氮肥施用量以及增加有機(jī)肥施用量是增加土壤有機(jī)碳含量,降低土壤CO2和N2O排放量,同時(shí)降低凈全球變暖潛勢(shì)比較有效的辦法。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：X502
【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
目錄
第一章 引言
    1.1 研究背景
        1.1.1 全球氣候變化
            1.1.1.1 碳循環(huán)對(duì)全球氣候變化研究的重要作用
            1.1.1.2 氮循環(huán)對(duì)全球氣候變化研究的重要作用
        1.1.2 陸地生態(tài)系統(tǒng)變化
            1.1.2.1 碳循環(huán)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要作用
            1.1.2.2 氮循環(huán)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要作用
        1.1.3 中國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
        1.2.1 農(nóng)業(yè)耕作方式對(duì)土壤碳的影響
        1.2.2 影響土壤溫室氣體排放的因素
        1.2.3 黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)的相關(guān)研究
        1.2.4 DNDC模型的發(fā)展及在農(nóng)業(yè)研究中的應(yīng)用
    1.3 小結(jié)
第二章 模型介紹
    2.1 模型總體結(jié)構(gòu)
    2.2 土壤氣候子模型
    2.3 作物生長(zhǎng)子模型
    2.4 有機(jī)質(zhì)分解子模型
    2.5 硝化反應(yīng)子模型
    2.6 脫硝反應(yīng)子模型
    2.7 發(fā)酵反應(yīng)子模型
    2.8 模型運(yùn)行
第三章 材料與方法
    3.1 試驗(yàn)點(diǎn)介紹
    3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
    3.3 試驗(yàn)方法
2O排放通量的測(cè)定'>        3.3.1 N₂O排放通量的測(cè)定
2O氣體采集'>            3.3.1.1 N₂O氣體采集
2O的濃度測(cè)定'>            3.3.1.2 氣樣中N₂O的濃度測(cè)定
2O氣體排放通量的計(jì)算方法'>            3.3.1.3 N₂O氣體排放通量的計(jì)算方法
2排放通量的測(cè)定'>        3.3.2 CO₂排放通量的測(cè)定
        3.3.3 土壤溫度的測(cè)定
        3.3.4 土壤含水量的測(cè)定
        3.3.5 土壤樣品的采集與前處理
        3.3.6 土壤粒度組成的測(cè)定
        3.3.7 土壤有機(jī)碳的測(cè)定
        3.3.8 土壤pH的測(cè)定
        3.3.9 土壤礦化氮的分析
            3.3.9.1 土壤硝態(tài)氮的分析
            3.3.9.2 土壤銨態(tài)氮的分析
        3.3.10 氣象數(shù)據(jù)
        3.3.11 數(shù)據(jù)處理分析
    3.4 DNDC模型
        3.4.1 DNDC模型的應(yīng)用
        3.4.2 DNDC模型的驗(yàn)證
        3.4.3 敏感性分析
        3.4.4 管理的長(zhǎng)期影響
第四章 結(jié)果與分析
    4.1 模型驗(yàn)證
        4.1.1 土壤溫度水分驗(yàn)證
        4.1.2 農(nóng)田土壤溫室氣體排放通量的驗(yàn)證
        4.1.3 農(nóng)田土壤礦化氮濃度驗(yàn)證
        4.1.4 統(tǒng)計(jì)分析
    4.2 模擬結(jié)果
    4.3 敏感性分析
2排放'>        4.3.1 CO₂排放
            4.3.1.1 氣候因子
            4.3.1.2 土壤屬性
            4.3.1.3 農(nóng)田管理方式
2O排放'>        4.3.2 N₂O排放
            4.3.2.1 氣候因子
            4.3.2.2 土壤屬性
            4.3.2.3 農(nóng)田管理方式
        4.3.3 全球變暖潛勢(shì)
    4.4 管理的長(zhǎng)期影響
        4.4.1 對(duì)土壤有機(jī)碳的長(zhǎng)期影響
2O通量的長(zhǎng)期影響'>        4.4.2 對(duì)N₂O通量的長(zhǎng)期影響
        4.4.3 對(duì)Net GWP的長(zhǎng)期影響
第五章 結(jié)論
第六章 展望
參考文獻(xiàn)
在學(xué)期間的研究成果
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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