吉林西部盐碱水田区温室气体排放的影响因素与变暖潜势研究

【摘要】：土壤盐碱化出现在世界各大洲的干旱、半干旱以致半湿润地区，是一个世界性的资源问题和生态问题。松嫩平原是世界三大苏打盐碱土集中分布区之一，吉林省碱化土地2.18×106hm2，接近总土地面积的11.5%，其中约1/5开垦为耕地，土壤肥力普遍不高，适宜旱作农业利用的高产土壤较少，作物平均单产普遍较低。吉林西部土地开发整理重大项目启动的目的是引松花江、嫩江水对盐碱地等进行土壤改良，将其改造成为高产水田，实现增产增收。国内外关于盐碱土改良、农田温室气体排放和土壤碳储量的研究较为多见，技术手段也较为成熟，取得了一定的进展。导师所领导的课题组也已在吉林西部开展了相关研究。但以往研究中，土壤有机碳储量和温室气体排放量或以模型模拟得出，或将野外、小区试验采样测试结果作为区域平均值进行计算。两种方法均未考虑不同开发年限水田的土壤基本化学性质与温室气体排放量均有较大差异，这些差异会对估算结果产生较大影响。 这种背景下，本研究在导师汤洁教授主持的国家自然科学基金“吉林西部50年来LUCC对土壤有机碳影响及驱动机制研究”及“吉林盐碱水田区全年候土壤有机碳变化机理及变暖潜势研究”支持下，通过野外实地采样和小区试验，分析水稻种植与土壤基本化学性质的相互关系，模拟不同氮肥施放量对新开发水田和成熟水田温室气体排放量的影响，计算不同开发年限水田土壤有机碳密度和温室气体排放通量，估算不同年份土壤有机碳储量和温室气体排放总量及区域变暖潜势。研究结果在探究土地整理对区域温室气体排放和土壤有机碳积累的影响，探索区域尺度的碳循环状况，为全球气候变化提供局地基础数据支持等方面具有重要的意义。本文的主要研究结果如下： 水稻种植对吉林西部盐碱水田土壤基本化学性质有较大影响：土壤pH值由开发前9.72~9.93下降到8.16~8.47；土壤电导率由1.27~1.38mS/cm下降到0.35~0.44mS/cm；土壤水解氮由27.89~33.51mg/kg上升到70.16~92.48mg/kg；土壤有机碳由2.36~2.53g/kg上升到16.58~21.59g/kg。土壤基本化学性质均受水稻植株生长状况、气候条件和微生物活动的综合作用影响。其中土壤水解氮含量受到氮肥的影响较为明显。土地整理工程能够将该地区原有的具有极强碱性、重度盐化、养分贫瘠特性的盐碱土壤，改良为碱性和强碱性、中度和轻度盐化、碳氮含量较高的水田土壤，对区域土壤环境改善有积极的作用。 吉林西部盐碱水田生长季CO2气体排放通量随水田开发年限的增加而增加，且年变化率较为接近；CH4气体排放通量在水田开发初期呈现增长趋势，在开发年限为35年以上的样地中有所降低，55年以上样地气体排放通量最大；N2O气体排放通量变化趋势为先降低后增加；随开发年限的增加，CO2、CH4和N2O三种温室气体累积排放总量均呈递增趋势。土壤基本化学性质多以复合或间接方式对温室气体排放造成影响。在0.05的显著性水平下，CO2、CH4和N2O三种温室气体年均排放通量和累积排放总量与土壤pH值不存在相关关系；与土壤电导率值均呈负相关；与土壤水解氮和土壤有机碳均呈正相关。 吉林西部盐碱水田生长季温室气体排放特征，成熟和新开发水田相差不大，CO2气体排放通量随水稻生长逐渐升高，在水稻分蘖期后、拔节孕穗期至成熟期排放量持续较高，7月中旬和8月中旬（抽穗开花期），CO2气体排放通量有明显的低值。成熟水田CH4气体在分蘖期后出现了一个排放峰，此后排放量逐渐升高，至拔节孕穗期达到峰值后不断波动，至抽穗开花期出现又一峰值，此后排放量逐渐下降，CH4气体季节排放平均通量呈现单峰趋势；新开发水田CH4气体排放特征在水稻生长初期与成熟水田规律基本相同。成熟水田和新开发水田N2O气体排放特征无明显变化，在无氮处理下，N2O气体排放呈现波动趋势，无明显排放峰值，且排放量很小；受到施肥的影响，N2O气体排放出现四个峰值，分别对应4次施肥期。与成熟水田相比，新开发水田三种温室气体排放平均通量和总排放量均明显偏低，排除氮肥和温度的影响，主要与土壤pH值偏高、含盐量偏大、可利用氮素和土壤有机质含量较低有关。 氮肥施加对新开发和成熟水田CO2气体排放通量均有显著影响，但并未影响CO2气体排放通量的变化规律，CO2气体排放特征受温度和降水影响较大，氮肥主要通过影响土壤水解氮和有机碳含量进而促进CO2气体的排放。两种水田CO2气体累积排放量随着氮肥施放量的增加而显著增加，施肥在一定程度上提高了稻田CO2气体排放的速率。氮肥施加对新开发水田CH4气体排放通量影响在初期较为显著，主要表现为在氮肥作用下CH4气体排放第一个峰值较不施肥有明显上升，后期影响不大；成熟水田CH4气体排放的峰值在氮肥作用下较不施肥有明显上升，但不同处理间PN60（成熟水田低肥量60kg/hm2）和PN150（成熟水田常规肥量150kg/hm2）排放峰相差不大，PN250（成熟水田高肥量250kg/hm2）较其他处理排放量显著增加，尤其是在7月中旬出现较大峰值。N250处理下新开发水田和成熟水田CH4气体季节累积排放量较N0处理下有显著提升，N60和N150处理下成熟水田CH4气体季节累积排放量较无氮处理有明显提升，但对新开发水田影响不大。氮肥施加对成熟水田N2O气体排放通量只带来排放峰出现这一影响，相对于成熟水田来说，新开发水田输入氮肥后排放峰值较低，但其他时间N2O气体排放通量增加较为明显。成熟水田和新开发水田在N0和N60处理下，其各生育期N2O气体排放季节累积量占总量的比率较为平均，N150和N250处理由于N2O气体平均通量在返青期显著增加，因此返青期季节累积量所占比例显著高于其他发育期。水田CO2气体累积排放量随着氮肥施放量的增加而显著增加。 新开发水田和成熟水田温室气体排放量（以CO2计）均随氮肥施用量的增加而增加，氮肥对区域综合温室效应影响很大。由于CO2气体排放量较大，各种处理下贡献率均占主导地位；CH4气体贡献率明显高于N2O，说明水田CH4气体的排放对区域综合温室效应影响显著。不同生育期温室气体排放量（以CO2计）由高到低排序为：拔节孕穗期分蘖期成熟期抽穗开花期返青期。拔节孕穗期两种水田不同处理下CO2气体贡献率均较低，说明CH4和N2O气体的排放为区域温室效应的主要影响因素，减少穗肥施肥量有利于降低CH4和N2O气体的排放量，从而减少区域综合温室效应。 吉林西部盐碱水田区土壤有机碳密度随水田开发年限的增加而增加，且增加速率逐渐放缓；土壤碳密度纵向分布表现为随深度的增加逐级递减。近20年来研究区土壤有机碳储量不断增加，1990年、2000年、2012年和土地整理完工年有机碳储量分别为3.84×106t、7.85×106t、21.03×106t和28.38×106t，土壤平均有机碳密度为95.10t/hm2、108.07t/hm2、87.03t/hm2和55.46t/hm2。1990年-2012年的20年间研究区为有机碳汇过程，水田土壤有机碳固碳量为17.19×106t，2012年到土地开发整理工程完工后，预计区域水田土壤有机碳固碳量将达7.34×106t，2012年到土地开发整理工程完工后，预计区域水田土壤有机碳固碳量将达734.33×104t，有利于区域的土壤碳截存。本区水田土壤有机碳总体低于全国平均水平，由于水田开发年限较短，其土壤有机碳密度在全国处于中等偏低的水平，但仍有巨大的固碳潜力。 对不同开发年限水田生育期CO2、CH4和N2O三种温室气体排放量（以CO2气体计）及贡献率进行计算，得出结论：水稻种植期间，返青期和成熟期CO2气体排放占主导地位，CH4和N2O两种气体在返青期水平相当，在成熟期前者较后者略有优势；在分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期，CO2气体排放贡献率下降，CH4气体对温室效应的贡献比重加大，远高于N2O气体。不同开发年限水田生长季温室气体排放总量（以CO2气体计）呈递增趋势。其中CO2气体排放占主要地位，贡献率在80%左右，CH4的贡献率16.69%~20.39%，N2O为0.93%~1.37%，水田CH4气体的排放对温室效应有较大贡献。开发1年以上、5年以上、15年以上、25年以上、35年以上和55年以上的温室气体年排放量分别为2,152.76gCO2-eqv/m2、2,565.49gCO2-eqv/m2、2,889.53gCO2-eqv/m2、3,176.82gCO2-eqv/m2、3,358.77gCO2-eqv/m2和3,493.54gCO2-eqv/m2。2012年三种温室气体平均排放率分别为2,102.32g/m2a、18.31g/m2a和101.90mg/m2a。CO2气体平均排放率在东北地区农田CO2气体排放值范围内，处于国内中等水平；CH4气体平均排放率略高于部分地区，但远低于全国水平；N2O气体平均排放率处于全国较低水平。 1990年、2000年、2012年和土地整理完工年吉林西部盐碱水田GWP分别为1.07×106tCO2-eqv.、1.99×106tCO2-eqv.、6.26×106tCO2-eqv.和12.07×106tCO2-eqv.，说明吉林西部盐碱水田表现为碳释放，对全球变暖做出了贡献，土地整理工程在一定程度上促进了区域温室气体的排放。 以往研究多单一关注区域有机碳截存或温室气体排放量，或利用模型模拟二者之前的平衡关系；本研究针对不同基准年水田不同开发年限的面积所占比率、温室气体排放量及土壤有机碳密度均有所不同这一实际情况，利用实测数据对研究区不同年份有机碳储量和温室气体排放量进行计算，估算2012年生长季区域变暖潜势。这一研究结果在探讨水稻种植对区域温室效应的实际贡献，综合评判土地开发整理工程对区域生态环境的影响等方面，具有积极的理论价值和现实意义。

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