糧食需求量大但耕地面積少是我國現(xiàn)有的集約化種植模式中氮肥濫用且不重視耕地保護的重要原因之一,這導(dǎo)致了土壤有機碳儲量下降、溫室氣體排放增加和活性氮釋放等環(huán)境問題,不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如何在不犧牲產(chǎn)量的前提下恢復(fù)土壤肥力并大幅降低作物生產(chǎn)過程的環(huán)境代價亟待研究。黃土高原是我國重要的小麥產(chǎn)區(qū),合理利用麥?zhǔn)蘸笙男蓍e期豐富的水熱資源有助于緩解該地區(qū)集約化種植帶來的土壤退化和環(huán)境問題。豆科綠肥同時具有生物固氮與固碳能力,能替代部分氮肥并提升土壤有機碳儲量,是優(yōu)化種植模式的首選。本研究基于長期定位試驗,結(jié)合實測數(shù)據(jù)和多種模型,探索豆科綠肥提升土壤碳氮儲量及降低環(huán)境代價的潛力與機制。田間試驗為裂區(qū)設(shè)計,主處理為夏休閑期的不同管理方式,包括夏休閑—冬小麥(FW)(對照),懷豆—冬小麥(HW),大豆—冬小麥(SW)以及綠豆—冬小麥(MW);副處理為小麥播前的不同氮肥用量:0(N_0),108(N_(108)),135(N_(135))和162(N_(162))kg ha~(-1)。主要研究結(jié)果如下:(1)通過RothC模型,利用實測土壤有機碳和全氮儲量及兩者的碳氮比對土壤有機碳和全氮儲量的動態(tài)變化及儲存潛力進行預(yù)測。與對照FW相比,豆科綠肥處理的碳、氮還田量分別增加了67%-91%和74%-125%(P0.05),8年后的土壤有機碳和全氮儲量分別提升了15%-23%和12%-22%(P0.05)。結(jié)合RothC模型以及3種豆科綠肥處理土壤有機碳和全氮儲量的相關(guān)關(guān)系來模擬土壤有機碳和全氮儲量的動態(tài)變化其精度可接受。達到新平衡狀態(tài)時,各豆科綠肥處理和FW處理的土壤有機碳儲量分別為37.67-47.29 Mg ha~(-1)和13.97-17.58 Mg ha~(-1),且豆科綠肥各處理對應(yīng)的全氮儲量將達到5.42-6.79 Mg ha~(-1)。預(yù)測顯示豆科綠肥處理的土壤有機碳和全氮儲量在達到新平衡時將比試驗開始前的初始值分別高107%和158%。在夏休閑期種植豆科綠肥提升土壤有機碳和全氮儲量的潛力依然較大,有利于土壤肥力的持續(xù)提升。(2)對土壤不同組分的有機碳進行物理分組,其中微團聚體內(nèi)的細顆粒態(tài)有機碳以及與粉黏粒結(jié)合的有機碳屬于受保護有機碳。定量分析豆科綠肥對土壤受保護有機碳含量的影響可以明確該措施是否能增加土壤有機碳的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,HW處理相對FW顯著提升了0-10 cm土層土壤的平均重量直徑。豆科綠肥處理使0-10和10-20 cm土層的土壤有機碳含量比FW分別顯著提升了0.93-1.18和0.33-1.04 g kg~(-1),且其中有69%-86%都是由于受保護有機碳含量的增加。此外,只有受保護有機碳的增加與土壤有機碳的增加呈顯著線性正相關(guān),進一步說明在夏休閑期種植豆科綠肥主要是通過受保護有機碳含量的增加來提升土壤有機碳含量。豆科綠肥不僅能改善土壤結(jié)構(gòu),還能增加土壤有機碳的含量及穩(wěn)定性。(3)結(jié)合生命周期評估(life-cycle assessment,LCA)和RothC模型可量化試驗開始8年后及各處理土壤有機碳儲量達到新平衡時小麥生產(chǎn)過程的碳足跡。選擇大豆作為綠肥時,小麥在不同氮肥用量條件下8年的平均產(chǎn)量比FW處理高8%(P0.05),同時各主處理氮肥用量降低33%小麥不減產(chǎn)。雖然豆科綠肥處理會增加來自農(nóng)田投入的溫室氣體排放量,但更多的碳還田及對應(yīng)土壤有機碳儲量的提升使其碳足跡比FW低25%-51%。當(dāng)所有處理土壤有機碳儲量都達到新平衡時,豆科綠肥處理的碳足跡比FW處理低53%-62%,比各自在現(xiàn)階段的碳足跡低23%-37%。在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植模式中,選擇懷豆和大豆作為綠肥替代夏休閑是保持小麥穩(wěn)產(chǎn)并能持續(xù)降低碳足跡的有效措施;RothC模型和LCA結(jié)合可作為一種評估不同種植模式長期溫室氣體排放情況的方法。(4)以豆科綠肥各處理相對FW在非根區(qū)土層(100-200 cm)殘留硝態(tài)氮零增長為標(biāo)準(zhǔn),可確定3種豆科綠肥處理根區(qū)土層(0-100 cm)硝態(tài)氮持有量和相應(yīng)的氮肥用量上限;再結(jié)合各豆科綠肥的氮還田量和小麥獲得高產(chǎn)的總氮投入量閾值可進一步計算出相應(yīng)的優(yōu)化氮肥用量。豆科綠肥植株的氮累積量為61-90 kg ha~(-1),其中懷豆的氮累積量比大豆和綠豆高46%(P0.05)。線性+平臺模型表明小麥獲得高產(chǎn)的氮總投入量閾值為141 kg ha~(-1)。豆科綠肥處理根區(qū)土層的硝態(tài)氮持有量在104-117 kg ha~(-1)之間,此時對應(yīng)的氮肥用量上限在97到130 kg ha~(-1)之間。綜合上述結(jié)果可算出豆科綠肥各處理的優(yōu)化氮肥用量為52-80 kg ha~(-1)。豆科綠肥具有較大的氮肥替代潛力,能在維持小麥高產(chǎn)的同時避免硝態(tài)氮在非根區(qū)土層積累。(5)以農(nóng)民常規(guī)方式(FW+N_(162),BAU)為對照,依據(jù)前述研究結(jié)果構(gòu)建了基于綠肥的優(yōu)化管理模式情景(HW+N_(52),HNO和SW+N_(79),SNO)。選用36個氣候模型輸出在兩種代表性濃度路徑(RCP4.5和RCP8.5)情景下的未來氣象資料,同時結(jié)合RothC模型,LCA和氮經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮u估在氣候變化條件下BAU、HNO和SNO在不同時段的土壤有機碳儲量、碳足跡和環(huán)境代價,明確豆科綠肥對環(huán)境的意義。HNO和SNO的土壤有機碳儲量在2100年時比BAU高14-18 Mg ha~(-1),但相對于RCP4.5,在RCP8.5情景下不同處理的土壤有機碳固存潛力由于氣溫更高而有所降低。HNO和SNO在不同時段的碳足跡分別為808-1388 kg CO_2 eq ha~(-1)和1280-1797 kg CO_2 eq ha~(-1),顯著低于BAU的2756-3456 kg CO_2 eq ha~(-1)。HNO和SNO的總環(huán)境代價比BAU低46%-70%(P0.05),主要是因為豆科綠肥較大的氮肥替代潛力大幅降低了相關(guān)環(huán)境代價。HNO和SNO在未來較長時間內(nèi)都能持續(xù)降低小麥生產(chǎn)過程的環(huán)境代價,除了土壤有機碳的固存,未來研究還需要更多關(guān)注豆科綠肥帶來的氮肥減量潛力。綜上,種植豆科綠肥可以改善土壤質(zhì)量,并通過促進土壤固碳和替代氮肥降低小麥生產(chǎn)過程的環(huán)境代價,是面向未來的可持續(xù)田間管理模式。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S551;S512.11
【部分圖文】：

第一章 文獻綜述1.1 研究目的和意義我國到 2050 年時人口依然會保持在 13 億以上（AlexandratosandBruinsma,2012），為了確保糧食的自給自足，水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物一直以高產(chǎn)為主要目標(biāo)。由于我國耕地面積僅為全球的 7%-9%，且有緩慢下降的趨勢（國家統(tǒng)計局，2018），這使得提高單位面積農(nóng)田的作物產(chǎn)量至關(guān)重要，因此現(xiàn)階段作物生產(chǎn)以高化肥、高農(nóng)藥投入且耕翻頻繁的集約化種植模式為主（圖 1-1）。研究指出，大量的氮肥投入如果不能被作物及時吸收，會以氨氣（NH3）、氧化亞氮（N2O）和硝態(tài)氮等活性氮的形式進入大氣、土壤和水體，可引起多種與人類健康息息相關(guān)的環(huán)境問題（景建元等，2017,Bouwmaet al. 2002; Kramer et al. 2006; Liu et al. 2013; Yang et al. 2015）（圖 1-2）。過于頻繁的耕作導(dǎo)致的土壤肥力下降、土壤結(jié)構(gòu)破壞和養(yǎng)分流失等問題也不利于作物穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)（Soane et al. 2012）。綜上，中國農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是如何在維持并逐步提高作物產(chǎn)量的前提下降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土壤和環(huán)境的負面影響，促進可持續(xù)發(fā)展。

泛應(yīng)用無論是在世界范圍內(nèi)還是在我國都使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中來自豆科植物（豆科以及綠肥）固定的氮在最近幾十年中出現(xiàn)了大幅下降（Smil,2001）。其中的原是施用化肥能在短期內(nèi)帶來明顯的經(jīng)濟效益，且相對有機肥用量更少；另一植、翻壓綠肥作物需要較多的人力和經(jīng)濟投入，不僅田間管理難度增加，而且產(chǎn)量可能優(yōu)勢不大。我國進入 20 世紀(jì) 90 年代以來綠肥種植面積大幅度下滑包括人們用地養(yǎng)地的觀念逐漸淡化以及綠肥品種和利用形式相對單一等問題雖然氮肥對于維持和提高作物產(chǎn)量意義重大，但當(dāng)投入量超過作物吸收量，活性氮的形式進入環(huán)境時，來自化肥的氮就成為了一種污染源。其中經(jīng)由氨大氣的氮與空氣中的微小顆粒集合可加劇霧霾的發(fā)生（Plautz,2018;Anetal. 1-2）；通過硝化作用形成的硝態(tài)氮不易被土壤固定，在降水和灌溉時隨水在移，進而可能污染地下水源（Gu et al. 2013）（圖 1-2）；隨地表徑流進入河流可引起水體富營養(yǎng)化，進而導(dǎo)致水質(zhì)惡化，生態(tài)系統(tǒng)破壞（Monteagudoetal.20反硝化作用形成的 N2O、NOx則會導(dǎo)致空氣污染和全球變暖等問題（Chen9）。治理過量氮肥投入引起的環(huán)境問題代價高昂：根據(jù)歐洲最近 5 年的氮素評僅歐盟成員國在此項的花費就高達 700-3200 億歐元（Sutton et al. 2011）。

西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文麥高產(chǎn)且土壤剖面中硝態(tài)氮殘留量低的氮肥施用范圍，并確定優(yōu)化氮肥用量。2.1.5 豆科綠肥配合優(yōu)化氮肥用量下作物生產(chǎn)過程的環(huán)境代價以前述研究得出的結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建優(yōu)化管理模式情景，并以當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的傳統(tǒng)田間管理方式為對照。結(jié)合 LCA、36 個基于兩種不同代表性濃度路徑（representativeconcentration pathway, RCP）的氣候模型、RothC 模型和氮周轉(zhuǎn)經(jīng)驗?zāi)Ｐ�，評估優(yōu)化管理模式情景和農(nóng)戶傳統(tǒng)管理方式在 2021-2100 年間 4 個不同時段（2021-2040，2041-2060，2061-2080 和 2081-2100）土壤有機碳儲量的動態(tài)，碳足跡的變化以及溫室氣體和活性氮釋放的環(huán)境代價，明確優(yōu)化管理模式降低環(huán)境代價的潛力與機制，為建立可持續(xù)種植模式提供有價值的信息。2.2 技術(shù)路線
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本文編號：2845004