农田管理措施对华北平原冬小麦-夏玉米土壤CO2排放的影响机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 栗照鑫 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李发东 |
| 关键词 | 农田管理措施 冬小麦–夏玉米 土壤CO2排放 土壤呼吸组分 华北平原 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 当前农田土壤是不可忽视的CO2排放源，占全球温室气体总排放量的10%左右。农田管理措施会通过改变土壤结构而影响土壤微生物活性，进而导致土壤CO2排放量不同。但关于农田土壤CO2排放机制的研究尚有不足，特别是在微观尺度和连续监测上，同时对土壤中CO2排放的来源划分也存在争议。本研究依托位于华北平原的山东禹城农田生态系统国家野外观测研究站，选择夏玉米（Zea mays L.）–冬小麦（Triticum aestivum L.）农田为研究对象开展野外试验，研究期自2018年6月底夏玉米播种开始，至2022年11月初夏玉米收获结束。试验设计两种耕作方式（CT：传统翻耕和NT：免耕）、两种秸秆还田方式（NS：不还田和SM：还田）以及两种氮肥水平（MN中氮：180 kg N ha–1和HN高氮：210 kg N ha–1）对比，利用实时原位自动监测系统连续监测每日土壤CO2排放动态变化，使用根去除法拆分土壤呼吸组分，并监测同化箱内土壤温湿度日动态变化。此外，测定作物各生长期和收获期的土壤理化性质、玉米期土壤微生物群落结构和功能、作物生物量，以此分析不同农田管理措施对土壤呼吸及其组分的影响及其内在机制。主要研究结论如下： （1）在玉米期，NT显著降低土壤累积CO2排放27.9%。NT增加玉米地上部生物量和籽粒产量分别为7.5%和6.8%。NT显著降低土壤CO2强度35.0%。NT显著降低玉米期土壤细菌群落的多样性和丰富度，但对真菌群落无显著性影响。根据结构方程模型（SEM），NT增加土壤容重，降低土壤温度，增加土壤湿度，进一步增加土壤有机碳含量和降低总氮含量，同时降低土壤细菌群落的多样性，最终导致土壤CO2排放量显著减少。在小麦期，NT显著增加土壤累积CO2排放7.2%。NT分别增加小麦期地上部生物量和籽粒产量6.4%和4.5%。小麦期土壤CO2排放强度对耕作方式的响应不显著。根据SEM，NT增加土壤容重，进一步增加土壤湿度和降低土壤pH值，使得NT处理下的土壤有机碳含量较低，总氮含量较高，导致土壤CO2排放增强。 （2）在玉米期，SM显著增加土壤累积CO2排放66.37%。SM增加玉米地上部生物量和籽粒产量分别为8.11%和9.18%。SM显著增强土壤CO2排放强度57.93%。SM增加细菌物种丰富度、α-多样性和均匀度。SM后土壤理化性质的变化为增加细菌群落多样性提供了有利条件，如土壤温度上升，土壤水分、容重和pH下降，土壤有机碳含量和全氮含量增加，使得SM促进土壤CO2排放。在小麦期，SM显著降低土壤累积CO2排放达到2.67%。SM增加小麦地上部生物量和籽粒产量分别达到12.4%和10.1%；土壤CO2排放强度在SM下显著降低12.5%。秸秆还田降低土壤容重、土壤湿度和pH，进一步增加土壤有机碳含量，最终表现为降低土壤CO2排放。 （3）在玉米期，HN水平下的土壤累积CO2排放显著增加35.9%。HN降低玉米地上部生物量和籽粒产量分别为5.8%和6.5%。HN显著增强土壤CO2排放强度59.8%。HN增加细菌物种丰富度，α-多样性和均匀度。HN促进CO2排放主要是通过改善土壤理化性质进一步增加细菌的多样性和活性造成的，特别是土壤化学性质的改变。在小麦期，HN降低土壤累积CO2排放0.1%。HN增加小麦地上部生物量和籽粒产量分别为19.8%和10.1%。HN显著降低土壤CO2排放强度。根据SEM，HN使土壤容重降低，增加土壤湿度和pH，进一步使土壤有机碳含量增加和全氮含量降低，最终表现为降低土壤CO2排放。 （4）在耕作方式和秸秆还田影响下，玉米季土壤自养呼吸占土壤呼吸的比例为27.4%，小麦季为34.1%。在玉米季，NT是通过调节土壤自养呼吸对土壤呼吸产生促进或抑制效应；SM通过增强异养呼吸促进土壤呼吸。在小麦季，NT也是通过调节土壤自养呼吸对土壤呼吸产生促进或抑制效应；SM对土壤呼吸组分的影响与耕作方式有关。在氮肥水平影响下，玉米季土壤自养呼吸占总呼吸的比例为26.4%，小麦季占29.5%。HN显著增加玉米季的土壤自养和异养呼吸。在小麦季，HN显著增加异养呼吸但显著降低自养呼吸。同时，整体上看，土壤温度与湿度相比对土壤呼吸组分影响较大。 （5）在玉米期，土壤累积CO2排放最大值出现在翻耕和秸秆还田并结合高氮水平，且显著高于其他七种组合措施。最大的玉米产量出现在免耕结合秸秆还田和中氮水平。免耕结合秸秆还田具有最大的NUE。对于夏玉米最佳的管理措施为免耕和秸秆还田并结合中氮水平。在小麦期，土壤累积CO2排放的较小值出现在翻耕和秸秆还田结合高氮水平。小麦产量的最大值出现在免耕和秸秆还田结合中氮水平。最高的NUE出现在翻耕和秸秆还田处理中。土壤CO2排放强度最低值出现在翻耕和秸秆还田结合高氮水平。冬小麦最佳的管理措施为翻耕和秸秆还田并结合高氮水平。如果玉米季和小麦季分别采取NTSMMN和CTSMHN，与均采取CTSMHN相比，土壤CO2排放降低34.1%，排放强度降低33.9%；籽粒产量增加0.6%以及经济效益增加26.9%。因此，建议华北平原玉米期和小麦期分别采用免耕+秸秆还田+中氮以及翻耕+秸秆还田+高氮的农田管理措施组合。 综上所述，本研究阐明了不同农田管理措施对土壤CO2排放和呼吸组分的影响，并利用土壤理化性质和微生物群落结构揭示内在机制。同时，结合作物产量和氮肥利用效率确定最佳农田管理措施。总之，本研究为提高农田科学管理水平、促进农田土壤减排、实现农业领域碳中和提供理论基础和数据支撑。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 240 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199828]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 栗照鑫. 农田管理措施对华北平原冬小麦-夏玉米土壤CO2排放的影响机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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