华北平原农田生态系统土壤碳氮过程与优化管理以禹城市为例

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1、分类号密级UDC编号中国科学院研究生院博士学位论文华北平原农田生态系统土壤碳氮过程与优化管理－以禹城市为例董玉红指导教师欧阳华研究员中国科学院地理科学与资源研究所欧阳竹研究员中国科学院地理科学与资源研究所申请学位级别博士学科专业名称生态学论文提交日期2005年4月论文答辩日期2005年6月培养单位中国科学院地理科学与资源研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席摘要气候变暖是当今全球性的问题，其主要原因是由于大气中温室气体浓度的不断增加。农业对温室气体的排放贡献很大，农业活动通过改变农田土壤的碳氮过程而影响土壤温室气体的排放，减少农

2、业温室气体排放的措施在全球温室气体减排计划中占有重要地位。在维持农业生态系统生产力的同时，采取合理的减少温室气体排放的农业管理措施的意义重大。本研究以田间试验为基础，通过模型模拟，实现碳氮过程由农田到区域的尺度转换。通过田间试验，研究几种不同的施肥管理措施以及环境因子对农田土壤温室气体排放的影响；通过DNDC模型模拟与验证，结合禹城市农业统计数据，进行禹城市典型农田生态系统土壤碳氮过程的模拟，从而提出针对该区的农田生态系统增汇减排措施。得出的主要结论如下：（1）有机肥的种类和施用量对农田土壤温室气体排放通量影响很大，有机肥施用促进了土壤CO

3、2和N2O的排放，减少了土壤对CH4的吸收，其作用与其有机质和氮的含量及其降解性有关。在夏玉米生长季，三种有机肥对土壤温室气体排放的作用为鸡粪>猪粪>牛粪，施肥量高的作用效应也大。等氮量施用时，猪粪的作用也要大于牛粪。（2）不同施肥时间及不同肥料配施对土壤温室气体排放的影响也各不相同。化肥施用对土壤CO2排放影响的差异不大，主要影响土壤N2O排放和CH4的吸收，整个小麦玉米生长季，两次施用与分四次施用相比，土壤N2O排放量增加，土壤CH4的吸收也降低；化肥配合有机肥施用的作用要大于单纯的化肥施用；秸杆还田降低了土壤N2O的排放。研究长期不同

4、N、P、K配合施用后农田土壤温室气体的排放，土壤CO2排放通量由小到大的顺序依次为CK、NK、PK、NP和NPK。不同处理的土壤均为CH4的吸收汇，肥料配合施用的处理CH4吸收要稍高于对照不施肥处理，但处理之间的差异并不显著。CK和PK处理的土壤N2O排放最低，NP，NK和NPK处理的土壤N2O排放较高。（3）农田土壤温室气体排放除了受肥料管理影响外，还受土壤温度、土壤水分、降雨以及土壤养分含量的影响。土壤CO2排放受温度的影响较大，CO2排放通量变化和温度的季节变化比较一致，CO2排放还受土壤水分的制约，土壤水分含量过高，土壤CO2排放降

5、低，土壤CO2通量和土壤温度、水分的相关性显著；土壤N2O排放受土壤温度和水分的影响，当肥料效应掩盖土壤温度、水分的效应+-时，相关分析不显著，土壤N2O排放也受底物浓度NH4-N和NO3-N浓度的影响；旱地土壤为CH4的汇，土壤CH4的通量受土壤温度和水分影响很大，但相关I分析并不显著。（4）以禹城市为例，研究农业管理措施对农田土壤碳氮养分时空变异的影响。1983年和2003年两个时期禹城市土壤养分分布表明，同一时期土壤碳氮养分的空间差异很大，经过近20年的耕作措施后，养分的空间分布也发生了很大变化，主要是受农业管理措施尤其是施肥管理措施

6、的影响。同时4个典型村的施肥调查和土壤养分分析也表明了农业施肥措施对土壤碳氮养分的影响。（5）DNDC模型的验证结果表明，DNDC模型较好地体现出该地区土壤CO2排放的季节变化特征以及CO2排放通量；DNDC模拟结果反映出N2O排放受降雨和施肥措施的驱动，模拟值和实测结果有差异，但整个生长季的累积排放通量相差不大。对农田土壤有机碳的模拟基本反映出长时期以来土壤有机碳随时间的变化，对照土壤有机碳随着年限的增加而逐步降低，NPK处理的土壤和对照土壤相比，稍有降低。（6）利用DNDC模型比较了禹城市两个不同历史时期的土壤碳氮通量的变化。2003年

7、的土壤碳储量高于1983年，2003年的氮投入增加，氮损失量也增大。在2003的现状模拟基础上，设置多种情景模式，表明不同管理措施对土壤碳增汇和减排的作用各不相同，增加土壤碳储量的措施同样会增加土壤CO2和N2O的排放，如何寻求增汇减排的平衡点是关键。根据田间实验以及情景模拟分析，结果表明秸秆还田和增施有机肥的同时减少化肥用量可以在增加碳储量的同时减少土壤N2O的排放通量。关键词:农田生态系统，碳氮循环，生态系统管理，温室气体，DNDC模型IICarbonandnitrogencycleandoptimizingmanagementofth

8、eagriculturalecosysteminNorthChinaPlain－AcasestudyfromYuchengDONGYu-hongDirectedbyProf.OU