發(fā)布時(shí)間：2020-09-01 16:07

　　 黃淮海平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū),對保障國家糧食安全具有重要意義,但由于土地分散經(jīng)營,小型農(nóng)機(jī)具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位,長期以旋代耕造成土壤緊實(shí)、耕層變淺等諸多耕層結(jié)構(gòu)問題,不合理的耕層構(gòu)造不僅制約耕層生產(chǎn)潛力的發(fā)揮、嚴(yán)重影響作物生長,而且導(dǎo)致水肥利用率低下,加劇環(huán)境污染。因此構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)對充分挖掘耕層潛力、保障我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。而犁底層是構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)所要面臨的首要問題之一,針對于此,不同學(xué)者提出了不同的耕層構(gòu)建方法,但對于犁底層區(qū)域分布特點(diǎn)及適宜破除程度,尚未形成統(tǒng)一結(jié)論。因此明確農(nóng)田犁底層特點(diǎn)及區(qū)域分布特征,摸清犁底層不同破除程度對作物生長及土壤環(huán)境的影響及作用機(jī)理,探索一種固碳減排穩(wěn)產(chǎn)的犁底層改良方式,對構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)具有重要意義。為解決以上問題,本研究主要進(jìn)行了如下三項(xiàng)工作:(1)區(qū)域調(diào)研:為了解黃淮海平原犁底層特點(diǎn)及區(qū)域特征,于2014年冬小麥拔節(jié)期選取黃淮海平原兩典型縣域(河北吳橋縣、山東陵縣)開展耕層結(jié)構(gòu)布點(diǎn)調(diào)研;(2)定位試驗(yàn):為摸清不同犁底層破除程度對作物生長與土壤環(huán)境的影響,于2014-2015年在山東德州農(nóng)科院試驗(yàn)站布置了冬小麥和夏玉米田間定位試驗(yàn),根據(jù)調(diào)研結(jié)果及試驗(yàn)點(diǎn)耕層結(jié)構(gòu)狀況,設(shè)置如下處理,設(shè)置犁底層不破除(RT15)、犁底層破除1/3(DL20)、犁底層破除2/3(DL25)、犁底層完全破除(DL40)4個(gè)犁底層破除程度處理,同時(shí)各處理設(shè)置對應(yīng)不施氮肥對照(CK15、CK20、CK25、CK40);(3)~(15)N示蹤土柱模擬試驗(yàn):為探索犁底層不同破除程度對作物生長及土壤環(huán)境的影響機(jī)制,設(shè)置~(15)N示蹤的土柱模擬試驗(yàn),試驗(yàn)分別在輕壤和重壤兩種土壤質(zhì)地條件下,設(shè)置犁底層15 cm、10 cm、5 cm、0 cm來模擬犁底層不同破除程度,設(shè)置犁底層容重1.65 g·cm~(-3)、1.75 g·cm~(-3)和1.85 g·cm~(-3)來模擬犁底層容重隨耕作時(shí)間的增加而增大。全文主要結(jié)論概況如下:(1)黃淮海平原犁底層特點(diǎn)及區(qū)域分布特征:108點(diǎn)剖面調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn),黃淮海北部地區(qū)74%-78%被調(diào)研點(diǎn)存在農(nóng)田犁底層,表明農(nóng)田犁底層是普遍存在的。調(diào)研區(qū)域耕層平均厚度為14.7 cm,犁底層主要分布在15-30 cm之間,犁底層平均容重約為1.54 g·cm~(-3),冬小麥拔節(jié)期犁底層平均穿透阻力為2556.0 kpa,均顯著高于耕層及心土層(P0.05)。目前黃淮海北部地區(qū)犁底層現(xiàn)狀不利于作物根系生長及作物對土壤養(yǎng)分的充分利用,需要適度打破犁底層,構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)。(2)打破犁底層對土壤容重、穿透阻力及水分動態(tài)的影響:本研究中,完全或者部分破除犁底層均能夠顯著降低10-30 cm土壤容重及穿透阻力(P0.05),各處理降低幅度具體表現(xiàn)為DL40DL25DL20RT15。完全或者部分破除犁底層有助于增加降水或灌溉后水分入滲、減少水分的無效耗散,對于干旱期作物生長調(diào)用深層水分并在雨季含蓄水分起到有利作用。DL20、DL25和DL40處理有利于增加降水或灌溉后水分入滲,冬小麥苗期20-70 cm土壤平均含水量較RT15處理提高5.3%、15.9%和23.6%(P0.05),冬小麥季耗水量提高了4.9%、10.2%和11.6%(P0.05);夏玉米季苗期20-70 cm土壤平均含水量分別較RT15處理提高7.7%、14.2%和15.8%(P0.05),但夏玉米季耗水量分別降低了5.8%、7.6%和10.5%(P0.05)。農(nóng)田土壤穿透阻力受溫度、水分調(diào)控作用明顯,且與土壤水分存呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P0.01)、與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.01)。干旱時(shí)期,土壤穿透阻力急劇增大,進(jìn)一步限制了作物對水分的吸收利用,加劇了作物水分脅迫;犁底層穿透阻力受凍融作用影響顯著,各處理在冬小麥越冬期穿透阻力達(dá)到1925.4-4423.7 kpa。(3)打破犁底層對作物光合特性、根系生長及作物產(chǎn)量的影響:打破犁底層能夠提高冬小麥和夏玉米凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰作用及葉片水分利用率,但完全破除犁底層較適當(dāng)保留犁底層(5 cm)夏玉米葉片凈光合速率有小幅降低。不同程度破除犁底層顯著影響作物根系總干重及根系在土體中的空間分布規(guī)律。冬小麥和夏玉米根系總干重隨犁底層厚度的降低而增大、隨犁底層容重的增加而降低。傳統(tǒng)犁底層結(jié)構(gòu)下,作物根系主要分布在0-15 cm范圍內(nèi),打破犁底層能夠提高根系深層分布比例;當(dāng)犁底層容重分別為1.65 g·cm~(-3)、1.75 g·cm~(-3)和1.85 g·cm~(-3)時(shí),冬小麥、夏玉米根系最大下扎深度分別為70 cm、50 cm和30 cm以及70 cm、50 cm和50 cm。犁底層破除程度與土壤養(yǎng)分存在耦合效應(yīng)。不施氮肥條件下,作物秸稈干重、地下部干重、籽粒產(chǎn)量及總生物量均隨著犁底層破除程度的增加而增大,而施氮條件下,冬小麥和夏玉米秸稈干重、地下部干重、籽粒產(chǎn)量及總生物量均隨著犁底層破除程度的增加而呈現(xiàn)增加趨勢,DL25處理籽粒產(chǎn)量最大,但完全破除犁底層,并不利于作物籽粒產(chǎn)量等指標(biāo)進(jìn)一步提升。打破犁底層有利于增加作物生育期吸氮量,提高作物氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥回收利用率及氮肥偏生產(chǎn)力,但完全破除犁底層各項(xiàng)指標(biāo)均有下降,甚至達(dá)顯著水平(P0.05)。(4)打破犁底層對土壤溫室氣體(CO_2、N_2O及CH_4)排放規(guī)律及生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢的影響:打破犁底層,增加了土壤擾動,顯著提高了土壤CO_2平均排放通量和周年累積排放量,但同時(shí)還提高了作物凈初級生產(chǎn)力,增加了對CO_2的吸收固定,最終麥玉輪作生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力得到提高,DL25和DL40處理間無顯著差異(P0.05);打破犁底層有利于縮短排放峰持續(xù)時(shí)間,降低排放峰強(qiáng)度,從而顯著降低N_2O周年累積排放量,且隨著犁底層破除程度的增大,降低幅度越大,同時(shí)有利于降低N_2O排放系數(shù)和排放強(qiáng)度;各處理CH_4周年累積排放量為-1.94--1.00 kg C·ha~(-1),均表現(xiàn)為CH_4匯,且隨著犁底層破除程度的增加,CH_4匯強(qiáng)度增大。不同處理?xiàng)l件下,CO_2季節(jié)性排放規(guī)律明顯,夏玉米季CO_2累積排放量顯著高于冬小麥季(P0.05);各處理土壤呼吸與土壤溫度之間呈顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,但受土壤水分影響不顯著。不同處理?xiàng)l件下N_2O排放主要表現(xiàn)為受事件驅(qū)動(灌溉、施肥、降水等),但玉米季施肥量大、季節(jié)性降水集中、土壤溫度較高,N_2O排放峰強(qiáng)度明顯大于冬小麥季,各處理生育期N_2O平均排放通量較冬小麥季提高92.1%-172.4%(P0.05),夏玉米季N_2O減排潛力更大;本研究不同處理間N_2O排放系數(shù)在0.43%-0.73%之間,遠(yuǎn)低于IPCC推薦值1%;各處理?xiàng)l件下土壤表層(0-15 cm)體積含水量與N_2O排放通量之間均呈現(xiàn)極顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系(P0.01)。綜合考慮三種溫室氣體增溫潛勢GWP_(SOILEXPORT)以及作物凈初級生產(chǎn)力增溫潛勢GWP_(NPP),各處理均表現(xiàn)為溫室氣體匯,其中DL25處理生態(tài)系統(tǒng)綜合增溫潛勢最小,固碳效應(yīng)最強(qiáng),而DL40處理由于GWP_(CO_2)過大,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)綜合凈溫室效應(yīng)最大,固碳效果最弱。(5)犁底層通過影響土壤養(yǎng)分遷移、分布及去向來影響作物生長及農(nóng)田土壤環(huán)境:隨著土壤深度的增加,氮素殘留比例逐漸降低,且隨著犁底層厚度的減小,氮素淋溶強(qiáng)度增大,土壤表層氮素殘留比例逐漸降低,深層氮素殘留比例逐漸升高,重壤質(zhì)地表層氮素殘留比例較輕壤質(zhì)地殘留比例提高46.2%-82.4%;輕壤質(zhì)地,完全打破犁底層有利于作物對氮素的吸收,降低氮素的氣態(tài)損失,但卻增加了土壤的氮素殘留,降低了氮素有效性,不完全破除犁底層(5 cm),則既可以提高氮素的作物吸收比例,同時(shí)減少土壤氮素殘留和氣態(tài)損失;重壤質(zhì)地條件下,氮肥作物吸收比例為57.1%-60.6%,較輕壤質(zhì)地明顯提高,而氮素氣態(tài)損失則明顯降低;兩種質(zhì)地,作物氮素吸收比例均隨著容重的增加而降低,土壤殘留和氣態(tài)損失比例均隨著容重的增加而增加。綜上所述,在目前黃淮海平原農(nóng)田耕層結(jié)構(gòu)條件下,犁底層的存在阻礙了作物生長、制約了作物對土壤養(yǎng)分及水分的利用,限制了耕層潛力的發(fā)揮,打破犁底層有利于作物產(chǎn)量的提高,但完全破除犁底層限制作物產(chǎn)量進(jìn)一步提升,綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,適度打破犁底層是最優(yōu)選擇。
【學(xué)位單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：S34
【部分圖文】：

2.3 大田定位試驗(yàn)2.3.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況定位試驗(yàn)設(shè)在山東省德州市黃河涯村（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″）（圖2.3），地處黃淮海平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.9 ℃，年降雨量為504.9 mm，降水主要分布在6—8月份，以黃河水灌溉，水源充沛，耕作制度為一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作；當(dāng)?shù)馗鞣绞街饕切诿磕甓←準(zhǔn)斋@后旋耕，以小四輪拖拉機(jī)為主要動力，旋耕深度15 cm左右。圖 2.3 定位試驗(yàn)地理位置Fig2.3 The location of field experiment

院博士學(xué)位論文 第二章 試驗(yàn)材料與研底層破除2/3(DL25)：冬小麥播種前，采用深松機(jī)具對試驗(yàn)地進(jìn)行25 cm深度行行耕犁具進(jìn)行15 cm旋耕，形成耕層25 cm、犁底層5 cm及下部心土層的耕層構(gòu)造層完全破除(DL40)：冬小麥播種前，采用深松機(jī)具對試驗(yàn)地進(jìn)行40 cm深度行行行完全破除，形成全虛耕層構(gòu)造，同時(shí)配套旋耕犁具進(jìn)行15 cm旋耕。

耕層土壤剝離、堆砌及混勻，同時(shí)利用找平機(jī)械對裸露犁底層進(jìn)行找平，壓路機(jī)進(jìn)行平整作業(yè)，最后將剝離耕層土壤回填，形成15 cm厚度耕層。最終形成耕層厚度均勻一致，土壤充分混勻的狀態(tài)，具體作業(yè)流程見圖2.6。

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本文編號：2809953