本文關鍵詞：生物質炭對水稻生長與稻田甲烷排放效應的影響及其機理研究

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【摘要】：水稻是我國最重要的糧食作物,其生產(chǎn)在糧食安全中占了舉足輕重的地位。然而,近年來,自然和人為因素所造成的土壤退化問題正逐漸威脅我國糧食安全。傳統(tǒng)的秸稈還田模式,雖然可以提高土壤肥力,改良土壤性質,但是也造成了溫室氣體CH4的大量排放。許多研究表明生物質炭具有促進水稻生長和抑制溫室氣體CH4排放的巨大潛力。然而,目前有關生物質炭輸入對中低產(chǎn)地改良和土壤CH4排放控制的機理研究主要是基于生物質炭一次性高劑量還田的短期實驗。對于低劑量等量秸稈還田模式下生物質炭輸入對稻田土壤性質和溫室氣體排放效應的影響及其機制機理未見相關報導。本論文以水稻秸稈生物質炭和竹炭為試材,分別考察了生物質炭高劑量和低劑量兩種還田模式對土壤性質、水稻生長以及土壤溫室氣體CH4排放效應的影響；并通過常規(guī)檢測手段和分子生物學技術,探討了相關增產(chǎn)減排的機制機理。論文主要研究結果如下：1、通過5年的大田實驗,對比分析了一次性高劑量水稻秸稈生物質炭和竹炭輸入對稻田土壤性質和水稻產(chǎn)量的長期影響。結果發(fā)現(xiàn),一次性高劑量生物質炭還田模式(22.5 tha-1)下,水稻秸稈生物質炭輸入對稻田土壤改良和水稻增產(chǎn)的效果顯著優(yōu)于竹炭。與對照相比,一次性高劑量秸稈炭化還田可以在秸稈炭施加后的前2年分別顯著增加13.5%和6.1%的水稻產(chǎn)量。水稻秸稈生物質炭具有的高pH、CEC和營養(yǎng)物質(K和P)是產(chǎn)生這種效果的主要原因。但是,這種效果會隨著生物質炭還田時間的延長而逐年減弱,表明一次性高劑量生物質炭還田模式對土壤改良短期效果明顯,然而存在長期不可持續(xù)性。2、通過2年的大田實驗,對比分析了等量秸稈炭化還田(2.8 tha-1)和秸稈全量還田(8 t ha-1)對稻田土壤性質和水稻產(chǎn)量的影響。結果發(fā)現(xiàn),與對照相比,低劑量等量秸稈炭化還田可以顯著提高水稻產(chǎn)量,其中第一年增產(chǎn)7.6%,第二年增產(chǎn)10.7%。秸稈全量還田對土壤改良和水稻增產(chǎn)的效果沒有低劑量等量秸稈炭化還田顯著。Spearman相關性分析表明,低劑量的秸稈炭化還田對水稻的增產(chǎn)作用,主要是通過提高土壤有機碳和土壤有效K和P的含量,降低土壤有效Al含量引起。雖然,每年低劑量等量秸稈炭化還田模式的還田量只有一次性高劑量秸稈炭化還田模式的1/10,但是其對水稻增產(chǎn)可能具有長期可持續(xù)性。3、通過大田實驗,探究了低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤CH4排放效應的影響及其微生物學機理。結果發(fā)現(xiàn),與秸稈全量還田相比,低劑量等量秸稈炭化還田可以顯著抑制稻田土壤CH4排放,其中第一年減排80.9%,第二年減排87.9%。Q-PCR結果顯示,與秸稈全量還田相比,低劑量等量秸稈炭化還田可以抑制稻田土壤產(chǎn)甲烷菌16S rRNA基因豐度,促進稻田土壤甲烷氧化菌pmoA基因豐度。進一步的454高通量測序結果則表明,與秸稈全量還田相比,低劑量等量秸稈炭化還田可以顯著降低稻田土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的多樣性,顯著抑制稻田土壤乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina和Methanosaeta的百分比,降低稻田氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium和Methanospirillum的百分比。因此,低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤CH4排放的抑制效應,很大程度上來源于對稻田產(chǎn)甲烷菌的抑制作用和對稻田甲烷氧化菌的促進作用。
【關鍵詞】：生物質炭 稻田土壤 甲烷減排 水稻產(chǎn)量
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S511
【目錄】：

• 致謝6-11
• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第一章 緒論15-28
• 1.1 引言15-16
• 1.2 我國農(nóng)田土壤存在的主要問題16-17
• 1.2.1 土壤退化問題日益嚴重16-17
• 1.2.2 農(nóng)田CH_4排放巨大17
• 1.3 秸稈直接還田的環(huán)境效應17-19
• 1.3.1 我國秸稈資源和利用現(xiàn)狀17-18
• 1.3.2 秸稈直接還田對作物產(chǎn)量的影響研究18-19
• 1.3.3 秸稈還田對稻田CH_4排放的影響研究19
• 1.4 生物質炭在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的應用研究進展19-25
• 1.4.1 生物質炭的基本理化性質19-20
• 1.4.2 生物質炭輸入對土壤質量的影響20-24
• 1.4.3 生物質炭輸入對土壤溫室氣體排放的影響24-25
• 1.5 現(xiàn)有研究存在的問題25
• 1.6 研究意義、研究目標和研究內(nèi)容25-28
• 1.6.1 研究意義25-26
• 1.6.2 研究目標26
• 1.6.3 研究內(nèi)容26-28
• 第二章 一次性高劑量生物質炭輸入對稻田土壤理化性質和水稻生長的影響28-57
• 2.1 引言28-29
• 2.2 試驗設計和田間管理29-32
• 2.2.1 試驗地概況和實驗材料29-31
• 2.2.2 實驗準備和設計31-32
• 2.3 測定項目和方法32
• 2.3.1 試驗樣品的采集和處理32
• 2.3.2 土壤pH和CEC的測定32
• 2.3.3 土壤總C和總N的測定32
• 2.3.4 土壤有效態(tài)營養(yǎng)元素的測定32
• 2.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析32-33
• 2.5 結果與討論33-56
• 2.5.1 一次性高劑量生物質炭輸入對稻田土壤pH的影響33-34
• 2.5.2 一次性高劑量生物質炭輸入對稻田土壤CEC的影響34-35
• 2.5.3 一次性高劑量生物質炭輸入對稻田土壤總C和總N的長期影響35-37
• 2.5.4 一次性高劑量生物質炭輸入對稻田土壤營養(yǎng)元素有效含量的影響37-45
• 2.5.5 一次性高劑量生物質炭輸入對水稻生長的影響45-50
• 2.5.6 水稻產(chǎn)量與土壤理化性質相關性分析50-54
• 2.5.7 生物質炭還田對水稻產(chǎn)量長期影響的機理分析54-56
• 2.6 本章小結56-57
• 第三章 低劑量等量秸稈炭化還田對水稻生長的影響研究57-82
• 3.1 引言57-58
• 3.2 試驗設計和田間管理58-60
• 3.2.1 試驗地概況和實驗材料58-59
• 3.2.2 實驗準備和設計59-60
• 3.3 測定項目和方法60
• 3.3.1 試驗樣品的采集和處理60
• 3.3.2 土壤pH和CEC的測定60
• 3.3.3 土壤和植物樣品總C和總N含量的測定60
• 3.3.4 土壤有機碳含量的測定60
• 3.3.5 土壤有效態(tài)營養(yǎng)元素含量的測定60
• 3.3.6 水稻葉片相對葉綠素含量的測定60
• 3.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析60-61
• 3.5 結果與討論61-81
• 3.5.1 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤pH的影響61-62
• 3.5.2 低劑量等量秸稈炭化還田對土壤CEC的影響62-63
• 3.5.3 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤有機碳的影響63-65
• 3.5.4 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤總N的影響65-66
• 3.5.5 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤營養(yǎng)元素有效含量的影響66-73
• 3.5.6 低劑量等量秸稈炭化還田對水稻生長的影響73-76
• 3.5.7 水稻產(chǎn)量與土壤理化性質相關性分析76-80
• 3.5.8 低劑量等量秸稈炭化還田模式與一次性大劑量秸稈炭化還田模式的對比分析80-81
• 3.6 本章小結81-82
• 第四章 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田CH_4排放的影響及其機理研究82-119
• 4.1 引言82-83
• 4.2 試驗設計和樣品采集83
• 4.2.1 試驗設計和田間管理83
• 4.2.2 實驗樣品的采集和處理83
• 4.3 測定項目和方法83-89
• 4.3.1 稻田CH_4氣體的測定83-84
• 4.3.2 土壤產(chǎn)甲烷活性和甲烷氧化活性的測定84
• 4.3.3 土壤可溶性有機碳的測定84
• 4.3.4 土壤樣品基因組總DNA提取84-85
• 4.3.5 熒光定量PCR85-86
• 4.3.6 Roche 454高通量測序86-89
• 4.4 結果與討論89-117
• 4.4.1 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田CH_4排放的影響89-90
• 4.4.2 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田CH_4排放總量的影響90-91
• 4.4.3 低劑量等量秸稈炭化還田對稻田土壤可溶性有機碳(DOC)的影響91-93
• 4.4.4 低劑量等量秸稈炭化還田對土壤產(chǎn)甲烷活性和甲烷氧化活性的影響93-95
• 4.4.5 低劑量等量秸稈炭化還田對土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌豐度的影響95-99
• 4.4.6 CH_4排放通量、環(huán)境參數(shù)和功能基因之間的相關性分析99-101
• 4.4.7 產(chǎn)甲烷菌群落結構454高通量測序分析101-109
• 4.4.8 甲烷氧化菌群落結構454高通量測序分析109-114
• 4.4.9 稻田產(chǎn)甲烷菌群落結構與土壤理化性質之間的聯(lián)系114-116
• 4.4.10 低劑量等量秸稈炭化還田減少稻田CH_4排放的機理分析116-117
• 4.5 本章小結117-119
• 第五章 研究結論、創(chuàng)新點和展望119-122
• 5.1 研究結論119-120
• 5.2 主要創(chuàng)新點120
• 5.3 研究展望120-122
• 參考文獻122-135
• 功讀博士期間取得的科研成果和獎勵135

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 譚德水;金繼運;黃紹文;高偉;;長期施鉀與秸稈還田對華北潮土和褐土區(qū)作物產(chǎn)量及土壤鉀素的影響[J];植物營養(yǎng)與肥料學報;2008年01期

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本文編號：850183