不同材料生物炭对干湿交替稻田氮素气态损失的影响
作者单位：沈阳农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：陈涛涛
授予年度：2022年
主 题：生物炭 不同材料 氨挥发 氧化亚氮 活性氮气体 增温潜势
摘 要：干湿交替稻田是最典型的一种节水型增/稳产稻田生态系统,其氮素吸收转化显著影响全球氮循环。但频繁的干湿交替过程使其氮循环特性更复杂、氮素损失也更明显。而生物炭因具有改善农业生态系统碳氮循环、降低氮素损失和固碳减排等巨大作用以及其广泛的材料来源和广阔的产业化发展前景已成为当前提高农业土壤肥力、降低氮素流失,特别是降低氮素气态损失的重要手段。但材料来源类型不同,生物炭理化特性差异显著,其减氮控排潜力更大相径庭。尤其在土壤氧化与还原频繁更替的干湿交替灌溉下,稻田活性氮气态损失氮循环均发生显著变化,不同类型生物炭固氮减排特性更不明确。因此,本试验将秸秆类、壳类和木屑类三种典型生物炭应用到干湿交替稻田中,通过两年原位大田试验,探究了不同材料生物炭对稻田田面水NH-N浓度、氨挥发、氧化亚氮排放和活性氮气体增温潜势等的影响,以期阐明干湿交替稻田NH挥发和NO排放对不同类型生物炭施用的响应规律及作用机制,明确干湿交替稻田NH挥发和NO排放规律同常规淹灌稻田的差异,挖掘不同类型生物炭在干湿交替稻田固氮减排的应用潜力。结果表明:(1)施炭首年的各施肥期,玉米秸秆和木屑生物炭对田面水铵态氮浓度表现出负激发效应,分别增加了NH-N均值浓度31.4%～54.8%、18.3%～35.6%,而稻壳生物炭降低了NH-N均值浓度9.1%～30.4%;生物炭应用一年后,玉米秸秆、稻壳和木屑生物炭分别降低施肥期NH-N均值浓度11.4%～22.5%、28.1%～61.9%和23.7%～61.6%。三种生物炭对田面水NH-N浓度的削减作用在第二年更加明显,其中稻壳生物炭(B)控制NH-N浓度的效果更优。(2)不同处理下全生育期氨挥发总量在8.97～17.84 kg?hm(2020年)、7.53～15.19kg?hm(2021年)之间。施炭首年,玉米秸秆、木屑生物炭石灰效应明显,分别提高了氨挥发累积量11.43～41.1%、9.19～11.1%,而稻壳生物炭降低了14.88～21.71%。2021年经过田间自然老化,无论增施何种生物炭均对各施肥期氨挥发排放量表现出抑制效果,其中稻壳生物炭效果最优,使氨挥发累积量降低22.49～38.46%。(3)不同处理下全生育期氧化亚氮排放总量在92.0～599.0 g?hm(2020年)、138.0～610.7 g?hm(2021年)之间。较常规淹灌,干湿交替灌溉下NO排放总量显著增大了133.21%(2020年),114.64%(2021年)。不同材料生物炭均可控制NO排放,其中p H值最高的玉米秸秆类生物炭更能抑制稻田NO排放。同时,干湿交替灌溉较淹灌显著增大了活性氮气体全球增温潜势,增幅近七成。无论哪种灌溉方式,施加生物炭材料均可有效抑制活性氮气体增温潜势,且抑制效果在北方寒区稻田至少可持续2季。(4)施炭首年,木屑和玉米秸秆生物炭降低水稻地上部氮素积累量10.38%、14.81%,导致略微减产,而稻壳炭提高了地上部氮素积累量,实现增产;2021年,对比无生物炭处理,玉米秸秆、稻壳和木屑生物炭分别增产3.93%、10.30%和7.58%,主要由于生物炭添加显著增加了有效穗数和每穗粒数。随着生物炭老化,碱性逐渐减弱,吸附性能逐渐提升,施炭第二年均对水稻产量呈现正面效应,尤其稻壳生物炭增产效果最为明显,有促进干湿交替稻田增产的潜能。综上分析,稻田在干湿交替灌溉方式下增施20 t?hm生物炭,经过首年的负激发效应后,逐渐凸显出长效正面作用,不仅可以节约灌溉水资源,有效控制氨挥发及氧化亚氮排放,而且还能提高植株氮素吸收和稻米产量,同时缓解活性氮气体带来的增温风险和环境代价,其中通过基于博弈论的赋权评价得出,AWD模式下稻壳生物炭综合效果最优,为实现水稻绿色高产、降低水稻生产系统水氮资源消耗和环境代价提供了一种新途径。
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