【摘要】：東北地區(qū)是我國最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一,隨著糧食生產(chǎn)的戰(zhàn)略北移,該地區(qū)已經(jīng)成為我國糧食主產(chǎn)區(qū)中增產(chǎn)潛力最大的區(qū)域。保障東北地區(qū)糧食可持續(xù)生產(chǎn),有利于實現(xiàn)國家糧食安全、促進國民經(jīng)濟健康發(fā)展。東北黑土素以地勢平坦、便于開墾、土壤肥力高著稱。然而該區(qū)域由于黑土過度開墾,加之不合理的耕種方式,導(dǎo)致土壤肥力下降、水土流失嚴重、土壤生產(chǎn)力不斷降低,長期以來資源利用效率呈負增長的趨勢。當(dāng)前,東北玉米種植以長期連作與單一施用化肥為主,并且已經(jīng)替代了傳統(tǒng)的豆科作物與玉米輪作的種植模式。此外,東北地區(qū)也是受全球氣候變化影響最為顯著的區(qū)域之一,近幾十年來春季干旱與低溫冷害頻發(fā),對玉米生產(chǎn)十分不利。建立土壤肥力與作物產(chǎn)量協(xié)同提高的玉米生產(chǎn)體系,增強土壤應(yīng)對氣候變化的緩沖能力,已經(jīng)成為東北黑土區(qū)糧食可持續(xù)生產(chǎn)亟待解決的重要問題。為此,本研究借助吉林省公主嶺市的長期定位試驗,通過原位監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合,系統(tǒng)開展了玉米連作、玉米-大豆輪作(種植2年玉米、1年大豆)以及大豆連作等不同種植模式在增施有機肥條件下的玉米產(chǎn)量變化、土壤理化性狀與水熱特征、土壤微生物組成與結(jié)構(gòu)等方面的研究;同時對不同種植模式下的農(nóng)田溫室氣體排放規(guī)律以及綜合溫室效應(yīng)(Global warming potential,GWP)等進行了系統(tǒng)評價,以期為東北黑土退化治理和糧食可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。本文主要結(jié)論如下:(1)長期有機肥與化肥配施條件下,2004～2013年間玉米連作、玉米-大豆輪作第一年與第二年的玉米產(chǎn)量均呈增加的趨勢,其平均產(chǎn)量在11.2～11.3thm-2之間,且處理間無顯著差異(P0.05),而從玉米單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)以及百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素方面來看,各處理間也無顯著差異;2004～2013年玉米生育期間的大氣溫度與降水量無顯著變化趨勢,且氣象因子間與玉米產(chǎn)量與顯著相關(guān)性;上述研究表明氣象因子對不同種植模式的影響不顯著,而有機肥的施用可以抵消長期玉米連作對土壤肥力的負面影響,保持玉米產(chǎn)量穩(wěn)定提高。(2) 土壤采樣分析與田間水熱定位觀測發(fā)現(xiàn),玉米連作處理與玉米-大豆輪作和大豆連作處理相比,可顯著降低土壤容重,增加土壤總孔隙度(P0.05),其中0～10 cm 土壤層次下土壤容重分別降低12.9%和19.8%,10～20 cm層次分別低21.4%和23.2%,20～40 cm層次分別降低23.9%和29.2%, 40～60 cm層次則分別降低20.3%和25.2%;玉米連作處理可顯著提高5～6月份土壤水分儲量,特別是0～40 cm 土層下,玉米連作處理分別比玉米-大豆輪作和大豆連作處理高6.5%和6.3%、3.6%和3.4%,且差異顯著,而玉米連作處理下較高的土壤水分含量有利于促進作物前期生長和后期群體質(zhì)量改善;從0～30 cm 土壤溫度來看,不同處理間全生育期無顯著差異;上述發(fā)現(xiàn)表明長期玉米連作結(jié)合有機無機肥料配施顯著改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤水分儲量,促進作物前期生長發(fā)育。(3) 土壤化學(xué)性狀測定與分析發(fā)現(xiàn),0～100 cm層次土壤有機碳、全氮、有效氮以及速效磷含量均隨土壤層次的加深而降低,但速效鉀含量在不同土壤層次間無顯著變化趨勢;相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)土壤有機碳與土壤全氮、有效氮之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P0.01),表明較高的土壤有機碳含量有利于改善土壤N素有效性;長期土壤有機培肥條件下,各處理0～20 cm的耕層土壤有機碳、全氮、有效氮、有效磷以及有效鉀含量均比試驗初始(1990年)有了顯著提高,而3個種植模式處理間,則以玉米連作最高,且與其它2個處理間差異顯著。此外,玉米連作處理下的2000 μm、≥250～2000μm、≥53～250 μm以及53 μm的土壤團聚體有機碳均為最高;玉米連作處理下高活性的易氧化態(tài)有機碳最高,表明其對外界環(huán)境較為敏感,而惰性有機碳在玉米連作、玉米-大豆輪作以及大豆連作3個處理間無顯著差異。上述研究表明,玉米連作配施有機肥可改善土壤養(yǎng)分狀況,增加土壤碳氮積累,有利于土壤培育,但其碳庫對外界環(huán)境變化的敏感性較高,因此要配合采用合理農(nóng)田管理措施,降低土壤有機碳礦化分解風(fēng)險。(4)微生物培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn),土壤中細菌和放線菌數(shù)量具有明顯的垂直分布規(guī)律,即隨土層加深,微生物數(shù)量急劇下降,但真菌數(shù)量在不同土層之間無明顯差異。0～40 cm 土層下,玉米連作處理的細菌、放線菌以及微生物總數(shù)量均顯著高于玉米-大豆輪作和大豆連作處理,其中細菌數(shù)量分別高28.2%和44.6%,放線菌數(shù)量分別高5.3%和14.6%,微生物總數(shù)量則分別高25.4%和41.0%;從微生物結(jié)構(gòu)來看,玉米連作處理下的細菌占比顯著高于其它處理,而真菌、放線菌占比則以大豆連作處理最高;此外,土壤微生物數(shù)量與土壤容重、有機碳、全氮以及有效氮含量關(guān)系密切,其中細菌和放線菌數(shù)量與土壤容重的相關(guān)系數(shù)分別為-0.818和-0.718,呈極顯著或顯著的負相關(guān)關(guān)系,而與土壤有機碳、全氮和有效氮的相關(guān)系數(shù)分別為0.784和0.770、0.777和0.740以及0.755和0.699,呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。上述研究表明東北黑土區(qū)玉米連作結(jié)合有機肥施用條件在改善土壤理化性狀的同時,也增加了土壤中細菌與放線菌的數(shù)量,但還應(yīng)配合合理的農(nóng)田管理措施,以提高土壤微生物多樣性,而土壤微生物和土壤理化性狀之間的顯著相關(guān)性關(guān)系也表明土壤微生物數(shù)量分布能夠敏感的反映土壤質(zhì)量的變化,可以作為評價土壤質(zhì)量狀況的生物學(xué)指標。(5)溫室氣體連續(xù)觀測結(jié)果表明,在作物整個生育期內(nèi),玉米連作、玉米-大豆輪作以及大豆連作3個種植模式處理下的CO2、N2O和CH4等溫室氣體排放通量均隨時間呈現(xiàn)明顯的動態(tài)變化;不同種植模式對土壤CO2排放具有顯著影響,玉米連作、玉米-大豆輪作和大豆連作等3個處理下2011和2012年兩年平均CO2累積排放量分別為5309.6、4422.0和4869.0 kg/hm2,而3個處理下的N2O平均累積排放量則分別為1.4、1.5和1.5 kg/hm2; 3個處理下不同年份間的CO2和N2O排放存在顯著差異,2011年的CO2排放量顯著高于2012年,而N2O排放量則是2011年低于2012年,這可能與兩年的氣象條件差異有關(guān);進一步估算溫室氣體的綜合溫室效應(yīng)(GWP- Global Warming Potential)發(fā)現(xiàn),玉米連作、玉米-大豆輪作和大豆連作等3個處理下分別為398.5、424.6和451.2 kg CO2-eq/hm2,玉米連作處理趨向于降低全球增溫潛勢。(6)綜上所述,在增施有機肥條件下,長期玉米連作與玉米-大豆輪作相比,籽粒產(chǎn)量無顯著降低,土壤養(yǎng)分與有機碳含量均顯著提高,且農(nóng)田溫室的綜合效應(yīng)有降低的趨勢,因此在東北黑土區(qū)實行玉米連作是可行的,但應(yīng)注意配合適宜的耕種管理措施,控制田間病蟲害發(fā)生,降低有機碳礦化分解風(fēng)險,提高農(nóng)田微生物多樣性,促進東北玉米可持續(xù)生產(chǎn)。
【圖文】：

土壤肥力變化與溫室氣體排放特征及其相互關(guān)系，探討東北黑土區(qū)玉米生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)逡逑展的耕作栽培調(diào)控方向，為黑土治理與耕地培肥提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。具體技術(shù)逡逑路線見圖１－１。逡逑１０逡逑

２．２．１試驗地點逡逑試驗地位于吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院公主嶺試驗站（４３°３０＇２３＂Ｎ，逡逑１２４°４８，，３４〃Ｅ，海拔２２０邋ｍ，圖２－１）。逡逑��？５ＷＦ．邐１２０邋ＷＥ邐ｔ２５－0ＸＴＫ邐５Ｊ５ＷＩ：逡逑知栙．邐／邋一邐黑龍江�。惧义希龋澹椋欤铮睿纾辏椋幔睿珏澹校颍铮觯椋睿悖邋澹ㄥ义希ㄟ�？邋４５ｉｒ0＊Ｎ逡逑廠邐吉林��？逡逑／邐Ｊｉｌｉｎ邋Ｐｒｏｖｉｎｃｅ逡逑／＇邐公主嶺試給鈷？邋ｒｘＴ逡逑４５邋ｃｒ0－＼邋－邐Ｚ邐內(nèi)愛古自治區(qū)一邐？邋Ｇｏｎｇｚｈｕｌｉｎｇ邋Ｅ？ｐｃｒｉｗｃｎｌａｌ邋Ｓｔａｔｉｏｎ逡逑Ｉｎｎｅｒ邋Ｍｏｎｇｏｌｉａ邋Ａｎｔｏｎｏｒａｏｕｓ邋Ｋｅａｔｏｎ邐，Ｊ逡逑＞逡逑邐——－ｓ邐遼寧者“逡逑｛邐０邋５５１１０邋２２０邋３３０邋４４０逡逑■■■■邐邐Ａｄ．．邋■ＯＯ—ｉｍ—邋Ｋｌｉｏｒｎｅｔｅｆｓ邐：邐逡逑ＩＩ５ＷＥ邐Ｉ２ＱＷＴＨ邐Ｉ２５ＷＥ邐ＩＸＴＷＥ逡逑圖２－１長期定位試驗地點逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑１４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S513;S151.9

【引證文獻】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王琦琪;東北黑土區(qū)玉米大豆輪作模式及比價研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2018年

本文編號：2521605