【毕业学位论文】黄淮海平原农田土壤CO2和N2O释放及区域模拟评价研究硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 硕士学位论文 黄淮海平原农田土壤 区域模拟评价研究 on 2O in 士研究生 ： 李 虎 指导教师 ： 邱建军 研究员 王立刚 副研究员 申请学位类别 ： 理学硕士 专业： 生 态 学 研究方向 ： 农业生态 培养单位 ： 中国农业科学院研究生院 农业资源与农业区划研究所 提交日期 2006 年 6 月 on 2O in s. u 006 摘 要 农业生态系统中产生的温室气体已成为引起全球气候变暖的因素之一， 2本文重点研究了我国粮食主产区黄淮海平原典型农田土壤的温室气体排放状况。 试验 地点设在黄淮海平原典型地区中国农业大学曲周试验站， 对该地区主要种植模式冬小麦 /夏玉米、 棉花和休闲地的 2析了这两种气体排放通量与主要环境因子、 土壤性状、 耕作措施的关系； 并利用田间试验资料对 拟该地区农田土壤 2运用 分析其排放的区域特征。结果表明： 棉花地、 休 闲地和冬 小 麦 /夏 玉 米地土 壤 2表现 出明显的 季 节变化规 律 。土壤其他季节低， 与对应气温的动态变化基本一致。 冬小麦 /夏玉米地土壤 324O2花地为 1111.9 O2O2壤 中与 5最好，与土壤湿 度的 相关性 却不 太明显 。同 一种种 植模 式土壤 有机 质含量 高的 处理 排放通 量大 于有机质低的处理。 秋季农田土壤 至 12 月 中旬左右降到最低； 随着春季气温的升高则呈总体上升 趋势，夏季 的 7 月中旬 达到最高。 冬小麦 /夏玉 米地土壤 2O花地为 g 闲地为 g 壤 在棉花地和休闲地， 在冬小麦 /夏玉米地则没有观测到 地温之间的相关关系， 但与土壤含水量的变化趋势基本一致。 通过实际测定值与 够较好地模拟实验地点农田土壤 2以用此模型进行区域模拟评价。模型模拟得出黄淮海平原年度农田土壤 2体表现为西北地区较低，东南地区较高。温度升高、增加秸秆还田比例都会不同程度地增加土壤中 在减少化肥施用量和免耕条件下，会减少 高秸秆还田比例、合理减少化肥施用量都会有效减少土壤中 综合不同情景， 以化肥的施用对该地区土壤中 2当化肥施用量减少 30%和 50%时 ，该地区土壤的 因此在实际生产中， 适当降低化肥施用量， 不仅能降低生产成本， 而且能减轻对环境的潜在影响，有效增加碳储量。 关键词： 淮海平原，农田土壤 of in 2O, as of (1) 2O) as (2) by to O2 2O or (3) O2 2O in by IS to on as 2O in of in in 324 in 1111.9 in cm no it 2O 2O in 2O it in 2O in O2 2O so it is be to IS by O2 2O in in in of O2 be it be 2O be O2 2O 0% 0%, O2 be 2O So in it to It of of 录 第一章 绪论 . 1 题背景及研究意义 . 1 题背 景 . 1 究意 义 . 2 内外研究进展 . 3 田土 壤中二氧 化碳 (的 研究进展2. 3 田土 壤中氧化 亚氮 (N O)的 研究进 展2. 5 田土 壤温室气 体 N 展望2 2. 7 物地 球化学模 型的研究 进展 . 8 文的研究目标和内容 . 10 究目 标 . 10 究内 容 . 10 究方 法 . 11 术路 线 . 11 第二章 试验地点概况与研究方案 . 12 验地点概况 . 12 究方案 . 12 验设 计 . 12 体的 测定 . 13 第三章 田间试验结果与分析 . 17 壤 放规律及其影响因素2. 17 壤 放的日 变化2. 17 壤 放的季 节变化2. 18 响土 壤 放 的环境因 素2. 20 节结 论与讨论 . 22 壤 N . 23 壤 N 的日 变化2. 23 壤 N 的季 节变化2. 24 响土 壤 N 环境因 素2. 26 节结 论与讨论 . 30 第四章 . 31 . 31 . 31 输入参 数 . 31 O 排放的 模拟及与 实测值的 对比分析2. 32 章结论与讨论 . 36 第五章 黄淮海平原农田 N . 37 据库的建立 . 37 型运行方案及参数设置 . 38 型运行结果及分析 . 38 淮海 地区农田 N 状况2 2. 38 域模 拟结果的 不确定性 分析 . 40 同假 设条件对 黄淮海平 原农田 N 的影响2 2. 40 章小结与讨论 . 43 第六章 结论与展望 . 45 究结论 . 45 究展望 . 46 参考文献 . 47 致谢 . 52 作者简历 . 53 第一章 绪论 第一章 题背景及研究意义 题背景 近代以来， 人类正以前所未有的速度和强度影响着地球环境。 以致全球面临着几个重大的环境问题， 如酸雨沉降、 臭氧空洞和地表状态变化引发的土地利用问题等， 尤其是大气中二氧化碳（ 甲 烷（ 、 氧化亚氮 （ 和氟氯烃类化合物 (温室气体的浓度近百年 来有了急剧的增加， 是引起 温室效应乃至全球变化最主要的原因。 温室效应 问题是近年国际地学界 、生态学界和 环境学界共 同关注的全 球变化的科 学研究热点 ，一直是全 球碳计划 ( 孙成权，2002)。 2一直以来都被全世界各国政府机构与广大研究者所关注， 成为全球变化领域研究的前沿与热点问题， 出 人类活 动是 导致过 去一 百年中 全球 气候变 化的 最重要 因素 （ 2001） 。作 为排放源， 首先当然是工业部门， 尤其是能源工业， 农业生产作为大规模的人类活动， 也是温室气体的主要来源之一。 国际社会 已经提出排放总量控制和人均排放控制的对策来限制国家和区域的温室气体的排放量。关于国家或区域的温室气体排放已成为政府间外交争端与斡旋的焦点之一。 我国在 20 世纪 80 年代以 后农田土壤中的碳氮不再亏缺，进入 90 年代后 盈余量加大。其 生产中存在的一个普遍特点就是高量的化肥投入， 这对于粮食的稳产和高产起到了一定的作用。 但是化肥过量施用后， 利用率下降， 损失量逐渐增大， 土壤中碳、 氮也以 2， 导致温 室气 体增加 、气 温升高 等问 题的出 现。 据估计 ，中 国农业 土壤 每年以 700长生 ， 2000） ， 而 且 过分依赖化学氮肥构成了农田 20%（曹仁林等， 2001） 。因 此，通过研究农田土壤温室气体排放，摸清排放规律，以明确不同种植农田生态系统中土壤碳氮收支状况， 进而对农田管理方式进行改进， 使土壤中碳氮处于良性循环，实现资源的高效利用，这将是高产粮区农业乃至区域持续发展的关键。 本论文由中国农科院科研基金“黄淮海平原农业生态系统土壤碳氮平衡的定量评价研究”与中比国际合作项目“中国耕地土壤有机碳储量变化及其对粮食安全影响的模拟研究”共同资助。 1中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 究意义 （ 1）农 田土 壤是温室 气 体的重要 来 源之一 农业生产作为大规模的人类活动，是温室气体的主要来源之一。据估计大气中 20%的 0%的 0%的氧 化亚氮 (源于农 业 活动和土 地 利用方式 的 转换过程 （ 990） ，而且 还以每年 速度增 加。研究表明 2000 年中 国农业生态系统的温室气体排放估算量为 9 百万吨 /年、 万吨 /年、 万吨 /年 (李长生， 2000)， 可 见我国农田温室气体排放问题不容忽视。 定量测定农田土壤中温室气体的释放， 并研究分析其影响因素， 有助于我们准确了解农田土壤温室气体释放规律， 从而正确地评价农田土壤对大气中主要温室气体浓度变化的贡献， 能够 为制定相应的农田土壤温室气体减排措施提供依据。 （ 2）农 田土 壤温室气 体 释放是土 壤 碳氮平衡 中 的重要组 成 部 分 近年来， 由全球气候变化引发的全球碳平衡问题越来越引起人们的关注。 土壤有机质是全球碳平衡过程中的重要碳库， 农业生态系统的土壤碳库是全球碳库中最活跃的一个组成部份， 在人类的耕 作、 施肥、 灌溉 以及气 候变 化的影 响下 ，不仅 其数 量在迅 速变 化，而 且其 作为全 球 从而对区域以及全球环境带来影响， 也对人类赖以生存的粮食生产带来影响。 黄淮海平原是我国最大的粮食生产基地之一， 经过 “六五” 到 “九五” 的 盐碱地综合治理和中低产田改造， 已步入高产粮区的行列。 2004 年黄淮海区 粮食总产量达到了 11060 万吨， 占全国粮食总产量的 作为重要农区， 黄淮海平原面临如何进一步实现农业高产、 稳产、 优质 、高效的可持续发展发展问题， 这对农业生态系统提出了更高的要求， 是保障我国粮食安全的客观需要。 土壤的长期肥力是保障农业生态系统稳产高产和环境安全的最基本条件， 而保持土壤肥力的前提是保持土壤碳氮平衡。 农田土壤温室气体的释放作为土壤碳氮平衡中的重要组成部分， 既受土壤中碳氮含量的影响， 也是直接反映土壤碳氮平衡状况的主要支出 （环境） 指标。 因此 ， 本研究通过对主产粮区土壤温室气体释放规律及其模拟的研究， 从而减少 发生威胁生态环境安全的可能性， 以此实现经济效益、 生态效益和产量目标的平衡， 这也是主产粮区农业乃至区域持续发展的关键。 （ 3）定 量分 析与评价 区 域农田土 壤 温室气体 排 放是学科 发 展的必然 趋 势 定量分析与评价区域农业生态系统的温室气体释放对世界各国科学家及政策制定者一直是一个挑战。 农业生态系统是一个非常复杂的系统， 在这一系统中， 大多数因果关系都是非线性的， 简单的经验性模型无法应用于此类复杂系统， 在全球环境变化的推动下， 近十几年中碳和氮生物地球化学研究飞跃发展， 约有十几个预测碳和氮生物地球化学过程的模型在国际刊物上发表。 这些2中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 模型对进一步揭示陆地生态系统 C、 化 C、 越来越被世界各地广泛运用， 已成为研究全球变化与陆地生态系统 (主要手段。 生物地球化学模型的发展已从点位模型发展成与 大尺度（区域）陆地生态系统的土壤温室气体排放与碳氮平衡的测算成为可能。 本研究就是引进著名的 “脱 氮分解” ） 模型， 通过田间试验实测数据的验证， 并建立相应的农业系统数据库以支持模型对黄淮海平原地区的模拟和评价， 并预测未来气候变化及土地利用管理对土壤温室气体释放的影响， 探索各种可能的控制措施和持续管理的有效途径， 以期实现农田生态系统稳产高产和环境安全， 最终为 区域农田生态系统碳氮平衡 （包括温 室气体释放 ）的长期动态跟踪建立一个模型数据库系统，以服务科研、教学和政策的制定。 内外研究进展 田土壤中二氧化碳 (研究进展 0%，远超过其它温室气体（ 988） 。早在 19 世纪， 土壤中 2在土壤生物活动中所起到的作用就已被人们所注意。 但直到 20 世纪中期， 土壤中 土壤肥力及土壤透气性的指标才日益受到重视 （ 997）。 近 年来， 随着 全球气 候变 化成为 人们 关注和 研究 的热点 问题 ，农田 土壤 经成为倍受科学家关注的核心问题。 而且由于测量方法的改进、 测定器具的改善以及对相关因素的综合考虑 ，研 究深度 也得 以深化 。但 是目前 国内 外广泛 开展 了森林 和草 地生态 系统 中土壤 而对受人 为活动影响最大且碳循环最为频繁的农田生态系统土壤 万宏， 2004）。 田 土壤中 生 过程 土壤中 土壤呼吸” ， 其 强度主要取决于土壤中有机质的数量及矿化速率 、土 壤微生 物类 群的数 量及 活性、 土壤 动植物 的呼 吸作用 等， 实 际 是土壤 中生 物代谢和生物化学过程等所有因素的综合产物。明确 响 （ 1）有 关生 物过程的 影 响 虽然土壤中物理和化学过程， 如有机质的氧化、 溶解态 绝大 部分 的 土壤中 的生 物过程 产生 的。土 壤呼 吸的实 质是 土壤微 生物 、土壤 无脊 椎动物和植物根系呼吸的总和。 土壤无脊椎动物的呼吸往往可以忽略， 其他两者的贡献所占的比例实际上很难精确测定。 根系呼吸所占比重随环境的不同而有很大的差异(从不明显到占 1/3， 有时3中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 甚至超过 60%)（ 2002） 。 死根及根系分泌物也可以直接影响土壤中有机质的含量， 从而影响 土壤 的物理 化学 性质。 近来 研究发 现， 土壤中 放和 根系 生物量 之间 呈正相 关（ 00 2） 。 不同植被类型土壤呼吸，草地的土壤呼吸速度最大，其次是森林， 最后是农田（ 2000） 。 （ 2）非 生物 过程的影 响 温度 许多研究表明， 土壤呼吸和温度之间具有显著的相关关系， 主要有线形关系、 二次方程关系、指数关系和等 （ 2001） 。 大多数情况下土壤呼吸速率与土壤一定深度地温成线性相关关系(刘绍辉 ， 1997)。 在 一定范围内环境温度升高可加速土壤中有机质的分解和微生物活性 ，从 而增加 土壤 中 一般而 言， 土壤温 度是 影响陆 地生 态系统 土壤 呼吸作 用的 最主要因素，温度变化可以解释土壤呼吸日变化和季节性变化的大部分变异( 2002)。 土壤湿 度 土壤湿度对土壤呼吸的影响也很重要， 尤其在干 旱或半干旱地区当土壤水分成为胁迫因子时可 能 取 代温度 而成 为土壤 呼吸 的主要 控制 因子（ 王跃 思， 2002） 。土壤湿度不 仅影 响生物 体 的 有效水分含量， 也影响土壤通气状况、 可溶物质的数量和 有效的排水会引起约一倍的 可能是因为有效的排水会减少土壤中 解，从而导致 增长 (1996)。近 来研究得出 ，土壤呼吸 和土壤湿度 之间也可以 用多种方程 函数关系来 表示，通过分析，在一定土壤湿度范围内，土壤呼吸大体上随着湿度的增加而增加。 土壤有 机质含量 土壤有 机质 是微生 物进 行分解 活动 排放 质基础 ，对 土壤的 性质 ，如通 风性 、湿度、阳离子保持能力等有着重要的影响。 研究表明， 土壤有机质含量与土壤呼吸的速度呈正相关。 因此， 有研究者曾用土壤有机质含量来预测土壤呼吸的速度 （ 1990） 。 但也有一些研究认为土壤有机质含量对土壤呼吸的影响很小。 可能的原因是不同地点、 不同植被类型等都会对土壤呼吸产生不同的效果。所以，有机质对土壤呼吸的影响不能一概而论。 （ 3）人 为活 动因素 人为活动直接或间接的改变土壤环境而十分显著的影响土壤呼吸。 不同 的管理方式(如耕作 、施肥、排灌条件的改变等)不仅改变 了地表植被，而且改变了土壤透气性，从而使土壤有机质含量、 微生物的组成和活性、 根系生物量等发生改变， 相应的土壤呼吸也大不相同。 尤其在当前人类活动对自然界的影响越来越大的情况下，农田管理方式的改变对全球土壤 是对于目前人为活动影响土壤 多研究也有不同的结论。如多数人认为农田在施肥后总体上会增加土壤呼吸速度，施加含有多种养分的肥料也会促进土壤呼吸。但是也有研究发现施肥不仅不会增加土壤呼吸反而会导致其下降（ 1995） 。 耕作后土壤将会增加 是因为耕作可增大土壤的孔隙，有助于 有研究4中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 发现， 土壤在耕作之后土壤 2000） ， 而 1994） 。深 入对 然是未来研究的方向之一。 田土壤中氧化亚氮 (研究进展 近年来， 随 着 量 较大幅度 的 上升，全 世 界对于 了大量 的 试验研究 工 作。农业土壤 这些过程受多种环境因素及农业管理措施的影响。由于全球 生 态系统的 复 杂多变性 和 土壤的空 间 变异性等 自 然条件的 限 制，使得 目 前得到 的全球 只是一个粗 略估算。深 入研究农业 土壤 与这些因素 间的数量关 系，客观 估计区域或全球农业土壤 ，并提出切实可行的减排措施乃是未来的研究主题。 田 土壤中 过硝化和反硝化作用完成。参照相关资料得出: 硝化作用: 反硝化作用: 上述反应中， 基于对土壤中 导致不同的硝化过程表达， 但 物是肯定的。 在有氧条件下， 硝化作用是产生 2壤的温度、湿度、 浓度控制着硝化的进程。 响 （ 1）土 壤温 度 气和反应底物浓度以及传输过程交互作用的结果。土壤温度对 影响微生物的活动强度外，还强烈影响调节土壤中 循华等人对稻麦轮作系统 度)日平均 温度的变化呈正态分布， 67%的 量都集中在 15 25 范 围 （郑循华等， 1996） 。 徐文彬等人研究也发现， 对玉米 休耕地 徐文彬等， 2002） 。 总的来说 ， 气温的变 化 决定了土壤温度的季节变化，从而影响着 （ 2）土 壤湿 度 土壤湿度控制着土壤中氧浓度的变化并通过影响土壤通气状况， 进一步影响到 2土壤湿度较低，而且土壤水分变化频繁和显著时，通常会有 睿， 2003）。土壤 的干湿交替能促进 土壤由干变湿时，随着水不断充满土壤孔隙，加大了厌氧环境并使反硝化作用加强， 第一章 绪论 生并排放出。但是当土壤含水量增加到大田持水量并超过时， 因是高土壤含水量不仅为反硝化菌提供了厌氧环境，而且使已产生的 加了它在土壤中的滞留时间， 以至最后被进一步还原。 有研究表明， 当水分含量相当于田间持水量 84%86%时，土壤具有最大的 晓元等， 2000） （ 3）土 壤有 机质 土壤有机质是调控土壤生物反硝化速率和作用强度的重要因子， 而且有 机质本身还为参与硝化过程的微生物提供了能源。同时土壤中高含量的易分解有机物质激活了土壤微生物的呼吸作用， 加快土壤氧的消耗， 加速了土壤厌氧环境的形成， 间接增强了土壤生物反硝化作用。 土壤反硝化作用和微生物活性的增强，促进 硝化作用来说，有机碳的加入可促进微生物活动， 使氧气供应不足， 最终导致自养微生物参与的硝化作用减弱。 一般土壤微生物适宜的有机质 C/5 30 1，若 C/土壤中异养型微生物繁殖快， 使土壤中有效氮减少 ，有机质转化慢， 抑制； 若 C/则微生物活性强， 氮可被矿化并产生 进 智平等， 1994；齐 玉春等， 1999）。 （ 4）土 壤质 地 土壤质地影响土壤通透性和含水量，因而影响土壤硝化作用和反硝化作用的相对强弱及 壤质地还影响土壤有机质的分解速率，进而影响产生 影响土壤 华等的实验表明，土壤质地明显影响小麦和棉花田 质土壤排放的 华等， 2000）。原因可 能是由于壤土粘粒含量介于粘土和砂土之间，既有较大量的 有较通畅的 土壤 （ 5）气 候因 素的影响 气象条件的变化主要是气温、 降水和光照强度的变化。 气温的季节性变化确定了土壤温度的季节性变化，因而影响农业土壤 天温度高， 量大；夜晚温度低，季土壤温湿度高，微生物活性强， 季土壤温湿度低，微生物活性低， 水能改变农业土壤水分状态，雨水中溶解氧还可提高土壤氧化还原电位，改变 此也能影响 除温度和降水条件外，光照强度也影响 克伟等对旱田作物研究发现，光照变化对植物 较弱的光照条件下，植物释放的 在完全黑暗和较强的光照条件下较低，甚至吸收大气中的 克伟 等， 1995）。 （ 6）农 业管 理措施的 影 响 施肥水 平： 氮肥的 施用 与否、 氮肥 的不同 种类 (有机肥 与化 学氮肥 ) 及 其不同 的肥 料类型 、施肥量、肥 料的利用率 以及施肥与 其他环境条 件如灌溉的 配合都对 分重 要 的 影响。但是施 用秸秆堆肥 有利于减少 量， 由于土壤中 有机质增加 促进对 收（李 晶6中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 等， 2003） 。对于有机 肥和无机肥 对 排放的影响 ，不同研究 者得出的结 论不尽相 同 。董云社等对东北农田土壤 用有机肥比单施氮肥大约增加 20%的 云社 等 ， 2001）。 郑循华等 对 稻田排放 ，堆肥加 尿 素处理的 田 块 0%左右 （郑 循华等， 1999） 。 而曾江海等人认为有机肥处理 曾江海等 ， 1995）。 因此，对于 有机肥和化 肥处理对于 的影 响还有待 更 进一步的研究。 轮作制度极大地影响了 同作物系统的 洪等， 2001） 。实验发现 油菜与冬小 麦对农田 很小（ 1998） 。另外，植物的多样性也会影响氮的分解。 黄国宏等人对东北地区的研究也表明， 在同样的土壤环境及不施肥的条件 下，种与不 种玉米， 别，玉米 植株的存在 能增加一倍 的 国宏等， 1998）。 耕作制度也影响了 比农业土壤和未开发土壤、常耕土壤与免耕土壤 果表明，农业土壤比未开发