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土壤CO2排放规律及还田秸秆碳释放特性的研究

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摘要

1 前言

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究动态

1.2.1 土壤CO2排放与气候变化

1.2.2 土壤CO2排放的影响因素

1.2.3 秸秆还田对土壤CO2排放的影响

1.2.4 秸秆还田对土壤碳平衡的影响

2 材料与方法

2.1 试验区自然环境特征

2.2 试验设计

2.2.1 土壤有机质与CO2排放关系试验

2.2.2 秸秆腐解碳释放试验

2.3 测定指标及方法

2.3.1 土壤CO2排放通量测定

2.3.2 土壤CO2排放测定时间

2.3.3 温度、水分测定

2.3.4 秸秆及土壤有机碳含量测定

2.4 数据分析

3 结果与分析

3.1 不同有机质土壤CO2排放通量变化

3.1.1 土壤CO2排放季节变化

3.1.2 土壤CO2排放日变化

3.2 土壤CO2排放与温度、水分的关系

3.2.1 土壤CO2排放与土壤温度的关系

3.2.2 土壤CO2排放与土壤水分的关系

3.3 土壤有机质与CO2排放的关系

3.3.1 土壤有机质与CO2排放通量的关系

3.3.2 土壤有机质与CO2排放总量的关系

3.4 秸秆腐解碳释放规律

3.4.1 秸秆碳腐解当年碳释放规律

3.4.2 秸秆碳腐解周年碳释放规律

3.5 碳平衡分析

3.5.1 秸秆还田腐殖化系数

3.5.2 碳平衡估算

4 讨论

4.1 土壤CO2排放的日变化

4.2 土壤CO2排放的季节变化

4.3 土壤CO2排放的影响因素

4.4 秸秆腐解与土壤有机质变化

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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摘要

土壤CO2排放是全球碳循环的重要环节,是全球气候变化的关键过程。秸秆还田对减少秸秆焚烧产生的环境污染有重要的作用,同时秸秆腐解后释放的营养元素对于培肥地力也有很大的帮助。为了研究不同有机质土壤CO2的排放规律及秸秆腐解对土壤有机质的影响,在松嫩平原中部气候条件下,设置了6个不同有机质含量土壤处理,采用静态箱法测定土壤CO2排放规律,于2013和2014两年连续实施试验,探讨土壤CO2排放通量的季节变化和日变化以及土壤温度、土壤水分对土壤CO2排放的影响,同时设立4个秸秆腐解处理研究秸秆腐解当年及多年的腐解规律,分析秸秆腐解对土壤碳素和有机质含量的影响。结果表明:
  供试的不同有机质土壤CO2排放通量呈现明显的季节变化规律,均为春季到夏季上升,夏季维持较高水平,秋季到冬季下降的变化趋势。各处理土壤CO2排放最大通量的两年均值大小顺序为: S5>S4>S6>S2>S3>S1;平均通量两年均值大小顺序为: S5>S3>S4>S6>S2>S1,高有机质处理CO2排放通量明显高于低有机质处理。
  供试的不同有机质土壤CO2排放通量日变化趋势相似,都呈单峰曲线变化。除了S1、S6处理峰值出现在10时,其它处理峰值均出现在12时,12时以后土壤CO2排放通量开始降低,0时以后土壤CO2排放通量有所升高。
  供试的不同有机质土壤CO2排放通量与土壤温度之间存在明显的相关关系。土壤CO2排放通量与土壤温度之间的关系用线性方程、二次方程和指数方程均可拟合,其中指数方程的R2值要明显比线性方程和二次方程的值更优,这说明了指数方程相比与线性方程和二次方程可以更好地描述土壤CO2排放通量和土壤温度之间的关系。从本试验得到的方程可以看出5cm土层温度与土壤CO2排放通量相关性较差,而20cm土层温度与土壤CO2排放通量之间的相关性较好。本试验条件下土壤呼吸温度敏感性系数Q10值范围为1.70~3.39,Q10值在不同土层之间的表现为20cm土层>15cm土层>10cm土层>5cm土层。
  供试的不同有机质含量土壤CO2排放通量和土壤体积含水率之间相关性较差。应用线性方程、二次方程和指数方程均不能很好地解释土壤CO2排放通量和土壤体积含水率之间的关系。
  供试的不同有机质土壤CO2排放最大通量、平均通量和排放总量随着土壤有机质含量的提高呈单峰曲线变化,用二次方程拟合效果良好。2013年土壤有机质含量与土壤CO2排放最大通量拟合方程为y=-0.064x2+8.197x+241.464,土壤有机质含量与土壤CO2排放平均通量拟合方程为y=-0.026x2+3.212x+93.823,2014年土壤有机质含量与土壤CO2排放最大通量拟合方程为y=-0.039x2+5.219x+242.980,土壤有机质含量与土壤CO2排放最大通量拟合方程为y=-0.023x2+2.773x+100.958。在土壤有机质含量64.04-66.91g·kg-1范围内,土壤CO2排放最大通量出现最大值,在土壤有机质含量60.28-61.77 g·kg-1范围内,土壤CO2排放平均通量出现最大值。土壤有机质含量与土壤CO2排放总量拟合方程为y=-1.348x2+161.192x+5089.924,当土壤有机质含量为59.79 g·kg-1时,土壤CO2排放总量最大。
  秸秆腐解当年,在开始的几个月碳释放速度较快,之后速度开始减缓,插入垄体处理的秸秆碳素释放速度比地表覆盖处理的释放速度更为迅速。经过1年,大豆秸秆插入垄体和地表覆盖处理的秸秆碳素释放速率分别在62.02%-66.43%和51.10%-58.31%范围内;玉米秸秆插入垄体和地表覆盖处理的秸秆碳素释放速率分别在57.57%-63.9%和36.87%-45.3%范围内。秸秆腐解周年碳释放特点是第一年腐解速率最快,之后释放速率趋于平缓。同时插入垄体处理的秸秆腐解速度明显高于地表覆盖的秸秆的腐解速度。周年碳释放规律用对数方程拟合效果良好。
  土壤碳盈亏模拟表明,秸秆还田较不还田可以显著增加土壤碳库提高土壤有机质,玉米秸秆还田相比大豆秸秆还田能够更多地补充土壤释放的碳,而增加土壤有机质含量。

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