土壤—植物生态系统中挥发性含硫化合物释放研究

摘要

为了了解土壤—植物生态系统中生物含硫气体的释放途径、主要释放机制及释放通量，首先采用室内模拟培养土壤的研究方法，对影响土壤含硫气体释放的主要因素进行了较详尽的考察。对实验结果进一步应用正交设计、多元回归数学手段定性定量的深入分析土壤含硫气体释放的机制；其次应用反应动力学理论对含硫气体释放的表观动力学模式做了探讨。为了减少大量繁琐的测试分析工作，利用人工神经网络BP算法对土壤硫释放过程建立数学模型，以对土壤硫释放进行较好的预测分析。在此基础上将室内分析研究扩展到外场实际农田，以把握实际土壤—植物生态系统中硫释放的规律和通量。整个研究工作分为室内模拟培养分析研究、农田原位释放通量测定和数模建立研究三部分。　　1.室内模拟培养分析研究采集稻田土壤，添加不同土壤硫源，进行室内模拟培养。用带双火焰光度检测器(FPD)的气相色谱测定培养土壤释放的含硫气体：羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)、二甲基硫(DMS)甲硫醇(CH3SH)、硫化氢(H2S)和二甲基二硫(DMDS)的变化量。结果表明：土壤释放的含硫气体是微生物分解含硫氨基酸、硫酸酯、还原硫酸盐的产物。　　2.农田原位硫释放通量测定用密闭箱法测定水稻和小麦整个生长期内稻田和麦田释放的含硫气体。采用吸附冷凝法对痕量含硫气体进行富集预处理。稻田和麦田中均主要测出COS、DMS和CS2三种气体。　　3.数模建立利用人工神经网络BP算法对土壤硫释放建立数学模型，并用模型进行预测。结果表明：预测值与实测值之间的平均相对误差为10％。表明人工神经网络对土壤硫释放的预测是一种有效的工具。此方法有可能应用到野外土壤硫释放模型中。这对减少大量繁琐的野外测试工作和准确计算全球陆地硫释放总量有重要意义。

目录

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第一章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2大气硫源释放概述

1.3土壤—植物生态系统中挥发性含硫化合物释放研究进展

1.3.1土壤—植物生态系统中挥发性含硫化合物的释放源

1.3.2大气中挥发性含硫化合物的沉降

1.4有关土壤—植物生态系统中硫释放和沉降基础理论部分

1.4.1挥发性含硫化合物产生机理

1.4.2影响土壤挥发性含硫化合物释放的因素

1.5大气中挥发性含硫化合物的分析测定方法

1.6存在的问题

1.7研究设想

1.7.1研究的内容

1.7.2预期结果和意义

1.7.3研究方法与实验设计

1.8本论文的创新点

第二章室内模拟培养条件下土壤生物含硫气体释放的研究

2.1实验部分

2.1.1土壤释放的生物含硫气体的分析方法

2.1.2水稻土的采集与培养

2.2土壤硫释放反应类型的确定

2.2.1研究设想

2.2.2实验方法

2.2.3结果讨论

2.3土壤生物含硫气体释放种类、释放规律及源的确定

2.3.1实验方法

2.3.2土壤添加胱氨酸前后硫释放的研究

2.3.3土壤添加半胱氨酸后硫释放的研究

2.3.4土壤添加甲硫氨酸后硫释放的研究

2.3.5土壤添加硫酸二乙酯后硫释放的研究

2.3.6土壤添加硫酸盐后硫释放的研究

2.3.7小结

2.4土壤温度变化对含硫气体释放的影响

2.4.1培养条件及方式

2.4.2实验结果与讨论

2.5土壤环境因子变化对含硫气体释放影响的研究

2.5.1研究设想

2.5.2土壤含水量与Eh变化对含硫气体释放的影响

2.5.3土壤pH、Eh值变化对含硫气体释放的影响

2.6光照强度变化对含硫气体释放的影响

2.6.1实验方法

2.6.2实验结果与分析

2.7正交实验设计探讨环境因素对土壤释放含硫气体的影响

2.7.1建立因素水平表

2.7.2结果分析

2.8土壤多种环境因素的交互作用对含硫气体释放的影响

2.8.1多因素组合条件下对土壤含硫气体释放影响的交互作用

2.8.2交互作用模式参数的重要性

2.8.3小结

2.9土壤添加碳氮源对硫源释放的影响

2.9.1添加有机碳源对硫源分解释放含硫气体的影响

2.9.2有机氮肥的添加对几种硫源分解释放含硫气体的影响

2.9.3小结

2.10不同土壤类型对硫释放的影响

2.10.1水稻土和旱地土的硫释放情况

2.10.2多种自然土样硫释放情况

2.10.3小结

第三章表观反应动力学模式的拟合

3.1表观反应动力学模式

3.2表观活化能计算

3.3小结

第四章利用人工神经网络建立土壤中生物含硫气体释放模型

4.1建模原理

4.2实验部分

4.2.1实验材料

4.2.2实验方法

4.3结果与讨论

4.3.1BP网络的结构

4.3.2网络参数初始化

4.3.3样本选取与训练

4.3.4BP网络模型的检验

4.4小结

第五章稻田生物含硫气体释放的研究

5.1实验设计与分析方法

5.1.1实验研究方案与步骤

5.1.2野外含硫气体样品的分析方法

5.1.3土壤理化性质及相关环境因素的测定

5.1.4实验田的管理

5.2稻田含硫气体释放测定结果分析与讨论

5.2.1概述

5.2.2稻田生物含硫气体释放通量的季节变化

5.2.3环境因素对稻田中含硫气体释放的影响

5.2.4硫释放的通量计算

5.2.5施肥对整个植稻期内含硫气体释放的影响

第六章麦田中生物含硫气体释放研究

6.1 概述

6.1.1小麦的生理特点

6.2实验方法与材料

6.2.1实验田的管理

6.2.2土壤理化性质及环境因素的测定

6.2.3气体样品的采集

6.2.4气体样品的分析方法

6.2.5排放通量计算公式

6.3结果分析与讨论

6.3.1小麦田中硫释放规律

6.3.2施肥对麦田含硫气体释放的影响

6.3.3麦田含硫气体释放的影响因素

6.3.4小麦植株的硫释放

6.3.5麦田硫释放量计算

6.4小结

结论

致谢

参考文献

附录

作者攻读博士学位期间发表文章一览