【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。為了評價不同耕作方式與秸稈還田對土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量的影響,同時區(qū)分土壤有機(jī)碳的來源,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2002 2017年15年間的小麥和玉米對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)進(jìn)行了評估。通過土壤固碳研究,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估土壤排放對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,計算了土壤呼吸對光合作用的貢獻(xiàn)比例。主要研究結(jié)果如下:1.耕作與秸稈還田方式對土壤有機(jī)碳及其組分的影響經(jīng)過15年的長期試驗(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.長期耕作與秸稈還田方式對土壤有機(jī)碳來源的影響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%,而小麥對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)高于50%,說明小麥轉(zhuǎn)化為SOC的速度更快,能力更強(qiáng),小麥對SOC的貢獻(xiàn)要高于玉米。3.耕作與秸稈還田方式對作物產(chǎn)量的影響經(jīng)過長期試驗(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CT_a和NT_a處理外,ST_a顯著高于其他處理(P0.05)。對于小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù),ST_0和RT_0處理分別為最高和最低,但是各個處理間無顯著性差異,對于玉米產(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)�？傊�,相比較其它處理,ST_1處理在提高SOC和作物產(chǎn)量上是更為長期有效的土地管理措施。4.土壤碳排放對作物光合的貢獻(xiàn)分析控制土壤碳排放對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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：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2.2.1大田試驗(yàn)試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計，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表 3。表 2 田間試驗(yàn)設(shè)計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，棚架采用開頂式設(shè)計，棚架長 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，將橡膠管穿過每一個孔并固定在 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被代入方程可以計算出 f1。生態(tài)系統(tǒng)呼吸釋放的 CO2沒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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本文編號：2787889