本文關鍵詞：秸稈還田與減量施氮對土壤固碳、培肥和農田可持續(xù)生產的影響　出處：《西北農林科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 麥玉輪作 土壤有機碳固存 碳庫管理指數 碳效率 可持續(xù)性指數 氮素表觀平衡

【摘要】：維持足夠數量的耕地面積,并不斷提升這些農田的肥力質量,是國家為保障糧食安全要著力解決的重要戰(zhàn)略性問題。小麥/玉米一年兩熟輪作制(麥玉輪作)是我國北方最為重要的糧食種植制度,維持該體系糧食生產可持續(xù)性在保障整個國家糧食安全方面意義重大。然而,麥玉輪作種植制度在以下三個方面尚存在亟待解決的問題:首先,麥玉輪作體系中每年產生大量作物秸稈,可采取秸稈還田、飼料化和工業(yè)原料化等多種資源化利用途徑,眾所周知,秸稈還田有助于土壤有機碳固存和肥力改善,但秸稈還田與其他利用途徑客觀上存在資源爭奪問題,尚不明確農田本身需要歸還秸稈的下限數量;其次,就秸稈還田而言,不合理還田方式會導致秸稈在腐解過程中釋放大量溫室氣體,從而加劇全球氣候變化,同時對土壤固碳培肥的效果尚不夠顯著;再次,麥玉輪作體系存在過量施氮現象,易造成氮素揮發(fā)損失、地下水受硝酸鹽污染等環(huán)境問題,如何在秸稈還田的同時合理減量施氮需要科學依據支撐。對于上述三方面問題,雖然已經開展了大量工作,但是,要科學篩選出最有效提升土壤有機碳固存和土壤肥力水平的還田方式,科學回答麥玉輪作體系保持土壤有機碳盈余的碳投入數量及平衡點,單季或雙季秸稈還田對于土壤固碳培肥的影響,以及秸稈還田條件下減量施氮對糧食可持續(xù)生產的影響等科學問題,仍需進行系統(tǒng)深入的研究。鑒于此,在2008 2014年期間,本研究基于秸稈還田長期定位試驗基地,系統(tǒng)地探討了關中平原高度集約化條件下麥玉輪作體系中秸稈還田不同組合方式對土壤固碳、培肥和糧食持續(xù)生產的影響,并在雙季作物秸稈均還田條件下探討了減量施氮對糧田土壤碳氮變化和作物生長的影響,以期為該區(qū)選擇適宜秸稈還田組合方式和施氮量來維持高度集約化麥玉輪作可持續(xù)生產。主要研究結果如下:(1)以持續(xù)4年(2008 2012)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗為基礎,研究了小麥和玉米殘體不同還田量對土壤有機碳固存、產量和可持續(xù)性的影響。結果表明,雙季殘體低量還田的碳儲量較試驗前降低2.6%,而小麥、玉米殘體單季和雙季高量還田卻可增加1.9%、4.8%和14.4%,且維持土壤原有有機碳水平(0 20 cm土層27.17 Mg C/hm2)所需碳投入量為4.07 Mg/hm2/yr;小麥和玉米產量及其可持續(xù)性指數隨碳投入量增加而增加,且當碳投入量為10.51 Mg/hm2/yr時,可持續(xù)性指數可達0.651,而雙季殘體高量還田的碳投入量和平均產量可持續(xù)性指數分別為9.76 Mg/hm2/yr和0.64,說明通過農藝措施的改進,作物產量可持續(xù)性指數有望進一步提高。(2)以持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗為基礎,研究小麥秸稈3種還田方式(高留茬還田、粉碎直接還田和不還田)和玉米秸稈3種還田方式(粉碎直接還田、深松還田和不還田)所組合的9種組合方式對土壤容重、有機碳含量和儲量的影響。結果表明,與雙季不還田相比,小麥和/或玉米秸稈還田下0 40cm各土層土壤容重均有所降低,而土壤有機碳含量和儲量卻有所增加。與試驗前相比,小麥和/或玉米秸稈還田均能顯著增加土壤等深度(0 20cm)和等質量(2590和5730mg/hm2)有機碳儲量,其中小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田增幅可達10.6%、13.5%和9.1%,而雙季不還田卻降低5.5%、5.3%和5.0%;然而,0 40cm土層土壤有機碳儲量僅在雙季秸稈還田有所增加,而小麥或玉米秸稈單季還田和雙季不還田均有所降低。因此,在高度集約化麥玉輪作生產中,小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田的土壤有機碳固存效果最佳。(3)基于持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗,探討了小麥和玉米秸稈還田9種組合方式對土壤有機碳及其活性組分(總、高、中和低活性)含量和儲量及碳庫管理指數的影響。結果表明:小麥和/或玉米秸稈還田的土壤有機碳及其活性組分含量和儲量較雙季不還田均有所提高,且均表現為雙季秸稈還田單季還田雙季不還田。小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田在0 40cm土層的土壤有機碳和總、中活性有機碳儲量最高,較其雙季不還田可顯著增加12.4%、32.7%和80.2%;而高活性有機碳在小麥秸稈粉碎直接還田 玉米秸稈深松還田取得最大值,較雙季不還田可顯著增加16.1%,但與前者無顯著差異;低活性有機碳在各還田組合方式下均無顯著差異。土壤總、高、中和低活性有機碳庫管理指數的變化趨勢與其活性有機碳儲量一致,且小麥秸稈粉碎直接還田 玉米秸稈深松還田的土壤總和中活性有機碳庫管理指數較其均不還田的增幅分別可達37.0%和86.1%�？梢�,在高度集約化麥玉輪作生產中,小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田對土壤有機碳(特別是中活性有機碳)數量和質量的提高效果最佳。(4)利用持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗中對小麥和玉米秸稈還田9種組合方式下作物產量、系統(tǒng)物質投入和人工投入等資料,估算作物生產過程中碳投入、碳產出、碳效率和經濟收益,進而探討高度集約化麥玉輪作生產過程中的固碳減排效應。結果表明:在輪作周期內各還田組合方式下碳投入為2765~3161kgc/hm2,其中雙季秸稈不還田最小,而小麥秸稈粉碎還田 玉米秸稈深松還田最大,且灌溉碳投入最高,其次為機械和化肥碳投入。輪作周期內碳產出總量、碳生產效率、碳經濟效率、碳生態(tài)效率、純收益、勞力成本收益率和物質成本收益率均在小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田取得最大值�？梢�,在高度集約化麥玉輪作生產中,采用小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田能夠取得最高碳效率和經濟收益,進而取得環(huán)境和經濟效益的雙贏。(5)運用可持續(xù)性指數法評價了秸稈不同還田組合方式下高度集約化麥玉輪作農田系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展?jié)摿�。結果表明,與雙季秸稈不還田相比,小麥和/或玉米秸稈還田能有效提高土壤有機碳、活性有機碳、速效氮、速效磷、速效鉀儲量、微生物量含量和蔗糖酶、蛋白酶、堿性磷酸酶、脫氫酶活性以及作物產量。小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田的養(yǎng)分指數和作物指數最高,而小麥秸稈粉碎直接還田 玉米秸稈粉碎直接還田的微生物指數最高,然而,前者系統(tǒng)可持續(xù)性指數顯著高于后者。可見,在高度集約化麥玉輪作生產中,采用小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田組合方式最利于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。(6)基于持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗,研究小麥、玉米秸稈全量還田下在常規(guī)施氮(即玉米季施氮187.5 kg/hm2、小麥季施氮150 kg/hm2)基礎上減量施氮對土壤碳氮變化和作物生長的影響。結果表明:30%減量施氮的玉米籽粒產量較常規(guī)施氮顯著降低9.4%,而15%減量施氮無顯著變化。土壤有機碳儲量在各施氮水平下較試驗前均有所增加,而15%和30%減量施氮較常規(guī)施氮可顯著降低6.5%和10.3%,活性有機碳儲量顯著降低15.8%和19.7%,且碳庫管理指數在30%減量施氮亦顯著降低20.9%。15%和30%減量施氮下小麥收獲后0 200 cm土層礦質氮累積量較正常施氮顯著降低12.9%和22.8%,且玉米收獲后顯著降低11.1%和22.9%。與正常施氮相比,30%減量施氮可顯著降低作物籽粒和秸稈氮含量和吸收量。15%和30%減量施氮的土壤表觀氮平衡和氮平衡率較正常施氮均有所降低,且隨著施氮量的降低而降低,但仍可維持土壤氮素平衡。可見,綜合考慮作物產量、土壤有機碳固存、作物養(yǎng)分吸收和土壤表觀氮平衡,15%減量施氮可作為為該區(qū)最佳施氮量。綜上所述,本試驗條件下,土壤有機碳儲量在小麥或玉米殘體單季高量還田下即可得以維持,而雙季高量還田對土壤有機碳固存和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展最為有利。小麥和/或玉米秸稈還田利于土壤有機碳儲量和活性的提高,且小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田的提高效應最佳,同時,該方式最利于土壤肥力質量、系統(tǒng)可持續(xù)性、碳效率和經濟效益的提高。另外,在雙季秸稈還田常規(guī)施氮基礎上15%減量施氮對作物籽粒產量、土壤有機碳儲量及其活性、作物氮磷鉀吸收和土壤氮素平衡均無顯著影響。因此,在高度集約化麥玉輪作生產中,采用小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田組合方式利于土壤固碳、培肥和糧食生產的可持續(xù)性,且在雙季秸稈還田常規(guī)施氮基礎上15%減量施氮(即玉米季施氮160 kg/hm2、小麥季施氮130 kg/hm2)為較優(yōu)施氮量。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S512.1;S513
，

本文編號：1349788