灌溉模式对华北平原冬小麦农田温室气体排放和土壤微生物群落的影响

摘要

区域水资源短缺是当今我国农业生产面临的最为突出的问题之一。合理发展节水灌溉技术和科学利用劣质水源进行农业灌溉是缓解区域农业用水紧张的有效途径。小麦作为我国主要口粮作物，其产量对于保障国家粮食安全至关重要。华北平原是我国小麦主产区，同时也是我国水资源短缺最为严重的区域之一。在该区域发展节水灌溉技术和综合利用劣质水源进行农田灌溉是该区域农业生产今后必须面对并解决的重大问题。本文研究了灌溉方式、灌溉水质、灌溉供水水平及氮素水平对华北地区冬小麦农田温室气体排放和土壤微生物群落特征的影响，以揭示未来灌溉模式改变对气候变化及土壤健康状况的可能影响，为今后该区域制定科学合理的农田灌溉管理策略提供数据支持，为开发既能保障粮食产量又能减缓温室气体排放的灌溉技术提供理论依据。
　　本项研究通过设置不同田间灌溉模式处理和室内模拟培养试验，探索研究了不同灌溉方式下冬小麦农田温室气体排放的差异、滴灌模式下水肥交互作用对冬小麦农田土壤胞外酶活性和微生物群落多样性的影响、灌溉水质和灌溉频率对土壤温室气体排放和土壤胞外酶活性的影响，以及咸水灌溉对土壤胞外酶活性和微生物多样性的影响等问题，取得的主要研究结果如下:
　　(1)灌溉方式改变对冬小麦农田温室气体排放产生显著影响。雨养条件下，CO2排放速率为546.67±12.37 mg m-2 h-1，灌溉会显著提高农田CO2排放速率，分别为畦灌的657.69±12.88 mgm-2 h-1、地表滴灌的644.02±9.08 mg m-2 h-1和喷灌的668.44±11.07 mg m-2 h-1，较雨养处理分别提高了20.31％、17.81％和22.27％。雨养处理的土壤CH4吸收速率为-57.90±2.39μg m-2 h-1，畦灌处理的为-40.19±2.61μg m-2 h-1，地表滴灌为-49.42±1.46μg m-2 h-1，喷灌为-37.63±2.30μg m-2h-1，较雨养处理分别下降了30.59％、14.65％和35.01％。雨养条件下土壤N2O排放速率为34.43±1.73μg m-2 h-1，灌溉方式也显著提高了N2O排放速率，增加幅度分别达到40.37％（畦灌）、19.92％（地表滴灌）和43.19％（喷灌）。另外，通过对不同灌溉方式进行比较发现，相对于传统的畦灌模式，地表滴灌不仅能够保障较高的粮食产量和水分利用效率，而且能够减少土壤N2O排放14.6％和增加土壤CH4吸收22.9％。
　　(2)滴灌水肥一体化供应模式下，灌溉水量对土壤含水量、pH值、电导率和硝态氮含量均产生显著性影响，而氮素供给水平对土壤含水量、pH值、电导率，以及速效氮、速效钾、铵态氮和硝态氮含量产生了显著性影响，但两者交互作用仅对土壤速效氮和硝态氮含量产生显著影响。滴灌水肥一体化供应模式下，灌溉供水水平和氮素供给水平同时对四种土壤胞外酶（α葡萄糖苷酶、β葡萄糖苷酶、纤维素二糖酶和磷酸酶）活性产生了显著影响，且交互作用显著（除纤维素二糖酶活性外）。另外，相比氮素水平而言，灌溉供水水平的差异对土壤微生物群落结构的影响要更大，更明显。
　　(3)灌溉水质和灌溉频率会显著改变土壤CO2和N2O排放以及CH4吸收速率。就灌溉水质而言，相比淡水灌溉处理，再生水灌溉处理能够使土壤CO2排放速率增加14.78％、土壤N2O排放速率增加20.81％、土壤CH4吸收速率降低17.30％;微咸水灌溉处理则能降低土壤CO2排放速率35.16％、降低土壤N2O排放速率40.27％,同时也降低土壤CH4吸收速率30.38％。就灌溉频率而言，不同灌溉水质条件下，相对低频率灌溉，高频率灌溉均能显著提高土壤CO2排放速率;在淡水和再生水灌溉处理条件下，高频率灌溉也显著增加了土壤N2O排放速率，但在微咸水灌溉处理条件下影响不显著;高频率灌溉在微咸水处理条件下显著降低了土壤CH4的吸收能力，但在淡水和再生水灌溉处理条件下影响不显著。
　　(4)咸水灌溉对多数土壤胞外酶活性和土壤微生物群落均产生较显著的影响。随着灌溉水盐分浓度的增加，α葡萄糖苷酶活性、纤维素二糖酶活性、磷酸酶活性及β木糖苷酶活性均呈显著下降的趋势，而N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈现明显增加的趋势，β葡萄糖苷酶活性则基本不受影响。咸水灌溉改变了土壤微生物对碳源的利用能力，当灌溉水盐分含量较低时，土壤盐分对微生物活性具有一定的刺激作用，能够增加微生物对不同碳源的利用能力，但当灌溉水的含盐量大于6 gL-1时，土壤盐分对微生物活性的抑制作用开始变得十分明显。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 节水灌溉与劣质水源灌溉研究现状

1．2．2 灌溉对温室气体排放的影响研究现状

1．2．3 灌溉对土壤微生物生态的影响研究现状

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 试验材料与方法

2．1 试验设计

2．2 试验测定项目与方法

2．2．1 温室气体通量测定

2．2．2 土壤胞外酶活性测定

2．2．3 土壤微生物多样性测定

2．2．4 土壤理化性质测定

2．3 数据处理

第三章 不同灌溉方式对农田土壤温室气体排放的影响

3．1 前言

3．2．2 农田CO2排放

3．2．3 土壤CH4排放

3．2．4 土壤N2O排放

3．2．5 温室气体累积通量和全球增温潜势(GWP)

3．3 讨论

3．3．1 灌溉方式对农田CO2排放的影响

3．3．2 灌溉方式对土壤CH4排放的影响

3．3．4 灌溉方式对全球增温潜势的影晌

3．4 小结

第四章 滴灌模式下水氮交互对土壤胞外酶活性和细菌群结构的影响

4．2．1 水肥交互对土壤理化性质的影响

4．2．2 水肥交互对土壤胞外酶活性的影响

4．2．3 水肥交互对土壤微生物群落的影响

4．3 讨论

4．3．1 滴灌模式下水肥交互对土壤胞外酶活性的影响

4．3．2 滴灌模式下水肥交互对土壤细菌群落结构的影响

4．4 小结

第五章 灌溉水质和频率对土壤温室气体排放和胞外酶活性的影响

5．2 试验结果与分析

5．2．1 灌溉对土壤基础性质的影响

5．2．2 灌溉对土壤温室气体排放的影响

5．2．3 灌溉对土壤胞外酶活性的影响

5．3 讨论

5．3．1 灌溉水质瓢频率对土壤理化性质的影响

5．3．2 灌溉水质和灌水频率对土壤温室气体排放的影响

5．3．3 灌溉水质和灌水频率对土壤胞外酶活性的影响

5．4 小结

第六章 成水灌溉对土壤胞外酶活性和微生物群落结构的影响

6．1 前言

6．2 试验结果与分析

6．2．1 咸水灌溉对土壤理化性质的影响

6．2．2 咸水灌溉对土壤胞外酶活性的影响

6．2．3 咸水灌溉对土壤微生物群落结构的影响

6．3 讨论

6．3．1 咸水灌溉对土壤胞外酶活性的影响

6．3．2 咸水灌溉对土壤微生物群落结构的的影响

6．4 小结

第七章 主要结论、创新点以及研究不足

7．2 创新点

7．3 研究不足

参考文献

致谢

作者简历