【摘要】：本研究在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站的長(zhǎng)期定位保護(hù)性耕作試驗(yàn)地(始于2002年)上進(jìn)行,采用冬小麥(濟(jì)麥22)-夏玉米(鄭單958)大田和微區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合的方式。為了評(píng)價(jià)不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量的影響,同時(shí)區(qū)分土壤有機(jī)碳的來(lái)源,試驗(yàn)設(shè)置了常規(guī)耕作(CT)、深松(ST)、旋耕(RT)和免耕(NT)4種耕作方式,無(wú)秸稈還田(0)、玉米秸稈留茬1 m還田(1)和秸稈全部還田(a)3種秸稈還田量。系統(tǒng)探討了2005 2017年長(zhǎng)期不同耕作和秸稈還田條件下的小麥-玉米一年兩熟種植系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量年際變化及其機(jī)理,并采用基于~(13)C自然豐度法的雙元混合模型對(duì)2002 2017年15年間的小麥和玉米對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)進(jìn)行了評(píng)估。通過(guò)土壤固碳研究,以期找到最優(yōu)的土壤耕作與秸稈還田方式。另外,為了比較在控制土壤碳排放條件下的玉米光合作用的變化和評(píng)估土壤排放對(duì)玉米光合作用的貢獻(xiàn),本研究利用穩(wěn)定碳同位素和Keeling曲線方法分離參與光合作用的CO_2,計(jì)算了土壤呼吸對(duì)光合作用的貢獻(xiàn)比例。主要研究結(jié)果如下:1.耕作與秸稈還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分的影響經(jīng)過(guò)15年的長(zhǎng)期試驗(yàn),結(jié)果表明,0-10 cm土層中,ST_a和RT_0的平均土壤有機(jī)碳(SOC)濃度分別是最高(14.29 g/kg)和最低(10.49 g/kg)的,分別比CT_0提高41.41%和降低0.58%。10-20 cm土層中,ST_a和RT_0的平均SOC濃度最高和最低,分別比CT_0提高18.41%和降低16.79%。在20-30 cm土層中,CT_a和RT_0處理的平均SOC濃度最高(9.79 g/kg)和最低(5.95 g/kg),分別比CT_0提高14.76%和降低30.26%。0-30 cm土層中,ST_a處理的SOC平均濃度是最高的,為11.80 g/kg,比CT_0處理增加了2.29 g/kg,而RT_0處理的SOC平均濃度最低,為8.10 g/kg。0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm土層中,不同處理間的SOC穩(wěn)定性指數(shù)存在著顯著性差異。0-30 cm土層中,ST_a和RT_0處理的碳庫(kù)管理指數(shù)分別是最高和最低的。與CT_0處理相比,ST_a處理的固碳量和固碳速率都是最高的,分別增加了15.64 t/ha和1.05 t/ha/yr。因此,ST_a處理對(duì)提高SOC含量,提高土壤肥力的作用最為顯著。在2016和2017年0-20 cm土層中,ST_1處理的SOC比CT_0處理顯著增加了51.33%,NT_0處理是最低的。相對(duì)于CT_0,ST_1處理的顆粒有機(jī)碳(POC)、易氧化碳(POxC)、輕組分有機(jī)碳(LFOC)和微生物量碳(MBC)含量分別增加45.68%、34.55%、51.85%和51.02%,RT_0處理的土壤有機(jī)碳各個(gè)組分均最低。20-40 cm土層中,不同處理間SOC濃度存在較大差異。相對(duì)于CT_0,ST_1處理的POC、POxC和LFOC含量分別增加了143.62%、17.57%和161.20%,MBC濃度范圍為212.83(RT_0)-315.58(ST_a)mg/kg。在40-100 cm土層中,2016年ST_1的SOC濃度顯著高于其他處理(P0.05),2017年NT_0處理的SOC濃度最低。相對(duì)于CT_0,POC增加范圍為-46.94%(RT_a)至75.85%(NT_0),POxC在2016和2017年結(jié)果不同,ST_1處理的LFOC降低了21.34%,ST_1和NT_0處理的土壤MBC濃度分別增加了50.25%和減少了14.28%。另外,POC和MBC比POxC對(duì)土壤管理措施的反應(yīng)更加敏感,SOC和活性碳組分之間呈現(xiàn)出了顯著的正相關(guān)關(guān)系。2.長(zhǎng)期耕作與秸稈還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳來(lái)源的影響ST_a處理的小麥和玉米碳投入量均是最高的,RT_0處理碳投入最低。ST_a和RT_0處理中來(lái)自小麥的碳投入量分別比CT_0處理提高167.56%和降低2.55%,ST_a和RT_0處理中來(lái)自玉米的碳投入量分別比CT_0處理提高198.13%和降低6.81%。ST_a和RT_0處理中玉米對(duì)SOC的貢獻(xiàn)分別比CT_0處理提高154.07%和降低48.89%。盡管小麥的碳投入量要低于玉米,即小麥轉(zhuǎn)化為碳的比例小于50%,而小麥對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)高于50%,說(shuō)明小麥轉(zhuǎn)化為SOC的速度更快,能力更強(qiáng),小麥對(duì)SOC的貢獻(xiàn)要高于玉米。3.耕作與秸稈還田方式對(duì)作物產(chǎn)量的影響經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn),2005-2017年ST_a和RT_0處理的小麥平均產(chǎn)量分別是最高(8.08t/ha)和最低(6.91 t/ha)的,分別比CT_0處理增加了9.60%和減少了6.33%。ST_a和RT_0處理的玉米平均產(chǎn)量分別是最高(11.98 t/ha)和最低(9.54 t/ha)的,分別比CT_0處理增加了14.36%和減少了8.91%。小麥玉米周年產(chǎn)量的增加范圍為0.58(NT_0)-4.93(ST_0)t/ha,與CT_0處理相比,ST_a處理的周年產(chǎn)量增加了2 t/ha,除對(duì)CT_a和NT_a處理外,ST_a顯著高于其他處理(P0.05)。對(duì)于小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù),ST_0和RT_0處理分別為最高和最低,但是各個(gè)處理間無(wú)顯著性差異,對(duì)于玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù),得出了相反的結(jié)果,RT_0處理顯著高于ST_0處理(P0.05),周年產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù)與玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)相同的結(jié)果。另外,小麥的產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù)要高于玉米。綜上結(jié)果表明,ST_a的周年產(chǎn)量長(zhǎng)期保持較高水平。在2016年和2017年,ST_a和ST_1處理的小麥產(chǎn)量高于其他處理,CT_a、CT_1、ST_a和ST_1處理的玉米產(chǎn)量顯著高于其它處理(P0.05)。與CT_0處理相比,ST_1處理的小麥玉米周年產(chǎn)量顯著增加了17.96%,RT_0處理顯著低于其他處理(P0.05)。總之,相比較其它處理,ST_1處理在提高SOC和作物產(chǎn)量上是更為長(zhǎng)期有效的土地管理措施。4.土壤碳排放對(duì)作物光合的貢獻(xiàn)分析控制土壤碳排放對(duì)玉米光合作用和水分利用效率的試驗(yàn)可以得出,不做任何調(diào)控措施的玉米植株的光合速率(A),氣孔導(dǎo)度(g_s),蒸騰速率(T_r)和內(nèi)部水分利用效率(WUE_i)比控制土壤碳排放措施分別提高了13.98%、12.81%、16.76%和1.51%,然而,葉片碳同位素判別值(?~(13)C),胞間二氧化碳濃度/周圍空氣二氧化碳濃度(C_i/C_a),和瞬時(shí)水分利用效率(WUE_t)分別降低了5.51%、8.57%和3.56%。CO_2再循環(huán)指數(shù)范圍是0.82-0.90,土壤碳排放對(duì)光合作用的貢獻(xiàn)范圍為20.37%-29.03%。在高土壤排放條件下,玉米的光合速率有所提高。因此,土壤碳排放對(duì)玉米光合作用存在一定的作用。
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S512.11;S513
【圖文】：

圖 1 2002 2017年試驗(yàn)地氣溫和降水量的年際變化Fig. 1 The atmospheric temperature and precipitation at the trial site during 2002 20172.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.2.1大田試驗(yàn)試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為耕作方式，分別為常規(guī)耕作（CT）、深松（ST）、耕（RT）和免耕（NT）4 種；副區(qū)為秸稈還田量，分別為無(wú)秸稈還田（0）、玉米稈留茬 1 m 還田（1）和玉米秸稈全部還田（a）3 種，兩因素組合為 12 個(gè)處理，如2所示。本試驗(yàn)小區(qū)面積為 15×4 m，3次重復(fù)。本試驗(yàn)在小麥播種前進(jìn)行耕作和不同米秸稈還田量處理，玉米為免耕鐵茬播種，具體操作流程與田間管理見(jiàn)表 3。表 2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental treatments玉米秸稈留茬高度Stubble height of straw常規(guī) （CT）Conventional tillage深松（ST）Subsoiling旋耕（RT）Rotary tillage免耕（NT）No tillage

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文控制土壤 CO2排放；（2）不做任何處理。為了盡可能接近自然環(huán)境，棚架采用開(kāi)頂式設(shè)計(jì)，棚架長(zhǎng) 1.2 m、寬 0.8 m、高 3 m，四周用透明塑料薄膜包圍。棚架的底部嵌入地面并被土壤密封，從聚氯乙烯（PVC）管要埋入土壤中的一端 15 cm 處每隔 40 cm 鉆出直徑為 5 mm 的孔，在棚架中將 PVC 管固定在土壤中 15 cm，PVC 管離玉米 30 cm，將橡膠管穿過(guò)每一個(gè)孔并固定在 PVC 管上，橡膠管口均朝向玉米植株。橡膠管口分別距離地面為 0、 40 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm、240 cm 和 280 cm，共 8 個(gè)層次。橡膠管的另一端與棚架外的氣體采集袋和氣泵相連接，橡膠管與棚架的交界處用玻璃膠密封。棚架設(shè)計(jì)如圖 2 所示。

圖 3 Keeling曲線方法圖解Fig. 3 Graphic solution of the Keeling plot methodSampled CO2：樣本二氧化碳濃度；δ13Ca：樣本二氧化碳的13C 豐度值；Background CO2：大氣背景二氧化碳濃度；δ13Cb：大氣背景二氧化碳的13C 豐度值；Source CO2：源添加的二氧化碳濃度；δ13Cb：源添加的二氧化碳的13C 豐度值在玉米生態(tài)系統(tǒng)中，呼吸產(chǎn)生的 CO2主要來(lái)自土壤和植物。使用 Keeling 曲線法，它可以表示為以下公式：δ13Cr= f1δ13Csr+ (1 f1) δ13Cpr(24)其中，δ13Csr和 δ13Cpr是土壤排放和植物呼吸中 CO2的同位素比例，f1是土壤呼吸占總呼吸的比例，δ13Cr被代入方程可以計(jì)算出 f1。生態(tài)系統(tǒng)呼吸釋放的 CO2沒(méi)有被湍流大氣完全混合，一些氣體被植物重新吸收和利用，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中 CO2的循環(huán)利用。Sternberg （1989）通過(guò)在一定程度上修改Keeling 公式，將 CO2再循環(huán)指數(shù)（f）定義為重新固定的呼吸釋放 CO2與生態(tài)系統(tǒng)呼

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