位于黃土高原南部的渭北旱塬地區(qū)是重要的旱作糧食產(chǎn)區(qū)之一,水分利用效率低和地力瘠薄是當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)的主要限制因素。以多次翻耕-耙耱?yàn)榇淼耐寥拦芾砑夹g(shù)、過(guò)量氮肥施用加劇了當(dāng)?shù)氐乃亮魇�、土壤退化及硝態(tài)氮淋溶等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。有鑒于此,自2007年秋季開(kāi)始,課題組在合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站建立了耕作、施肥、輪作等保護(hù)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的生產(chǎn)生態(tài)效應(yīng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)(至今已為期10年)。為了進(jìn)一步探明施肥、耕作及輪耕對(duì)作物生產(chǎn)及生態(tài)效應(yīng)的影響,本研究以連作冬小麥田為研究對(duì)象,選取了常規(guī)、低量和平衡施肥,免耕(NT)、深松(ST)及翻耕(PT)三種連續(xù)耕作,共3×3個(gè)施肥-輪耕模式(即常規(guī)施肥免耕[CN]、常規(guī)施肥深松[CS]、常規(guī)施肥翻耕[CP],低量施肥免耕[LN]、低量施肥深松[LS]、低量施肥翻耕[LP],平衡施肥免耕[RN]、平衡施肥深松[RS]、平衡施肥翻耕[RP]),外加平衡施肥的免耕/深松(NS)、深松/翻耕(SP)、翻耕/免耕(PN)三種輪耕,共計(jì)12個(gè)生產(chǎn)模式,研究了對(duì)連作冬小麥產(chǎn)量及水肥分利用效率、土壤理化性狀及溫室氣體排放的影響,主要研究結(jié)果如下:1、保護(hù)性耕作對(duì)渭北旱塬連作麥田產(chǎn)量和和水肥利用的影響NS的10年平均產(chǎn)量、水分利用效率、降雨利用效率及肥料氮偏生產(chǎn)力分別為4514.9kg·ha~(-1)、14.3 kg·ha~(-1)·mm~(-1)、8.3 kg·ha~(-1)·mm~(-1)、30.1 kg·kg~(-1),分別較RP提高了15.3%、14.3%、8.3%、30.1%,SP、RS及PN依次降低,其中NS、SP、RS穩(wěn)定性高、產(chǎn)量潛力大。各施肥水平的產(chǎn)量及水分/降雨利用效率從大到小為平衡施肥常規(guī)施肥低量施肥,肥料氮偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為低量施肥平衡施肥常規(guī)施肥,平衡施肥具有最大的增產(chǎn)潛力。2、保護(hù)性耕作對(duì)渭北旱塬連作麥田土壤物理性狀的影響(1)NT處理具有最高的休閑期蓄水量,豐水型和干旱型休閑期分別較PT增加了2.5%-6.4%、9.6%-16.5%,ST在干旱型休閑期的蓄水量較PT提高了4.9%-6.9%,NS的降雨蓄水效率(21.67%)高于其它連/輪耕模式。平衡施肥的蓄水量低于其它施肥水平,但降雨蓄水效率與其它施肥水平差異不顯著。連/輪耕中的保護(hù)性耕作促進(jìn)了播種期0-200 cm土層含水量的提高,關(guān)鍵生育時(shí)期平衡施肥及保護(hù)性耕作模式在60-140 cm土層的含水量波動(dòng)較其它模式更劇烈。播種期、分蘗期土壤含水量、抽穗-灌漿期土壤水分消耗與作物產(chǎn)量顯著正相關(guān),播種-分蘗期土壤水分消耗與產(chǎn)量負(fù)相關(guān)。(2)各模式0-80 cm土層的容重在1.04-1.68 g·cm~(-3)范圍內(nèi),施肥-耕作模式的影響缺乏一致性和顯著性。NT相對(duì)于PT和ST實(shí)現(xiàn)了犁底層的下移,且在平衡施肥下降低了0-30 cm土層的容重。平衡施肥導(dǎo)致10-30 cm層容重的上升,低量施肥則提高了30-40cm層的容重。輪耕模式中的NS在0-30 cm層的容重低于其它連/輪耕模式。(3)RN、RS模式0-5 cm土層的毛管孔隙率分別達(dá)51.2%、41.7%,相對(duì)RP提高了9.2%、1.4%,但NT處理在低量和常規(guī)施肥水平上的孔隙率低于PT。NT、ST處理40-80cm層的孔隙率相對(duì)PT提高了2.7%-11.3%。增施氮肥后0-40 cm層的孔隙率增加了0.4%-10.0%。NS及SP模式有利于0-80 cm剖面孔隙率的提高。(4)RN處理0-5 cm表層土的力穩(wěn)性和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量分別達(dá)89.4%、65.8%,平均質(zhì)量直徑分別比CP高19.7%和32.4%。NT在0-40 cm土層的力穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量高于其它連耕處理,ST則有利于40-80 cm的提高。平衡施肥提高了0-40 cm及60-80 cm土層力穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,但降低了40-80 cm層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。NS提高了0-80cm層力/水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量,SP、PN模式僅有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加。3、保護(hù)性耕作對(duì)渭北旱塬連作麥田土壤化學(xué)性狀的影響(1)0-10 cm土層的有機(jī)質(zhì)(SOM)含量表現(xiàn)為NTSTPT,常規(guī)施肥平衡施肥低量施肥,CN模式下含量可達(dá)1.9%。高層化率導(dǎo)致低量和平衡施肥下保護(hù)性耕作/輪耕的0-100 cm SOM儲(chǔ)量較PT降低了0.1-1.2 kg?m~(-3),常規(guī)施肥下則增加了1.5-2.6kg?m~(-3)。不同施肥水平的SOM總儲(chǔ)量表現(xiàn)為常規(guī)施肥低量施肥平衡施肥。三種施肥條件下NT在0-80 cm土層的大團(tuán)聚體固碳量為34.0-38.4 t?ha~(-1),均高于PT、ST。ST在0-5 cm土層的大團(tuán)聚體碳含量高于PT,但0-80 cm總儲(chǔ)量在平衡施肥下低于PT。施肥及耕作對(duì)微團(tuán)聚體碳和粉-粘粒碳儲(chǔ)量的影響不明顯,但土壤擾動(dòng)及平衡施肥導(dǎo)致粉-粘粒碳及微團(tuán)聚體碳所占比例升高。(2)三種施肥條件下NT及ST 0-10 cm土層的平均全氮含量較PT(7.5 g?kg~(-1))增加了2.7%-21.8%,速效氮含量較PT(12.4 mg?kg~(-1))提高了7.7%-323.6%。但因高層化率導(dǎo)致平衡施肥條件下保護(hù)性耕作/輪耕的0-100 cm土層全氮儲(chǔ)量低于PT。全氮儲(chǔ)量在施肥間的差異為常規(guī)施肥低量施肥平衡施肥,速效氮為常規(guī)施肥平衡施肥低量施肥。硝態(tài)氮是速效氮的主要成分,變化規(guī)律與速效氮相似,CP導(dǎo)致了明顯的淋溶現(xiàn)象。各模式間的銨態(tài)氮含量差異無(wú)顯著規(guī)律。(3)全磷及速效磷的最高層化率可達(dá)1.76、4.41,較SOM和氮更嚴(yán)重。各模式0-10cm土層的全磷、速效磷含量分別為0.8 g?kg~(-1)、22.5 mg?kg~(-1),80-100 cm土層含量?jī)H為表層的37.1%、11.7%。保護(hù)性耕作的表層全磷、速效磷含量比PT平均高15.2%、35.4%,速效磷總儲(chǔ)量比PT高9.2%,但除NT、NS外其它連/輪耕方式的全磷儲(chǔ)量低于PT。不同施肥處理間的全磷儲(chǔ)量差異表現(xiàn)為平衡施肥常規(guī)施肥低量施肥,速效磷差異為常規(guī)施肥平衡施肥低量施肥。(4)不同施肥水平下保護(hù)性耕作/輪耕0-10 cm土層的全鉀含量在11.1-12.2 g?kg~(-1)范圍內(nèi),較PT提高了4.3%-12.8%;0-100cm總儲(chǔ)量為16.6-18.4 kg?m~(-3),較PT提高了0.4%-7.5%;平衡施肥的全鉀儲(chǔ)量低于常規(guī)、低量施肥。各耕作處理中僅NS和NT提高了表層速效氮含量和0-100 cm速效氮儲(chǔ)量,低量施肥的速效鉀含量略高于其它施肥處理(P0.05)。4、保護(hù)性耕作對(duì)渭北旱塬連作麥田溫室氣體排放及碳生態(tài)足跡的影響(1)連作冬小麥田的CO_2排放速率在49.5-635.1 mg?m~(-2)?h~(-1)之間,冬季低而作物旺盛生長(zhǎng)期及高溫多雨的休閑期高。NT具有最低的平均排放速率,年平均累計(jì)排放量在14.5-16.5 t?ha~(-1)之間,相比翻耕降低了14.7%-18.7%,其次為NS、ST。相同耕作方式下平衡施肥處理的平均排放速率最大,低量施肥最小,但RN通過(guò)減少土壤擾動(dòng)比CP降低了16.9%。(2)渭北旱塬旱作農(nóng)業(yè)區(qū)屬于CH_4的匯,各模式的平均吸收速率在8.0-138.1μg?m~(-2)?h~(-1)區(qū)間,冬季吸收速率最低,最高吸收峰在拔節(jié)至灌漿期。相同耕作方式下施肥處理間的平均吸收速率差異不顯著。NT、ST在三種施肥水平上的年累計(jì)吸收量較PT降低了19.6%-23.7%、4.8%-8.3%,累計(jì)排放量表現(xiàn)為PTSPPNSTNSNT。(3)N_2O排放速率在2.52-160.6μg?m~(-2)?h~(-1)之間,不同時(shí)期間波動(dòng)劇烈。增施氮肥及免耕加劇了N_2O的排放,年累計(jì)排放量最高的CN模式(1.3 kg?ha~(-1))比最低的低量施肥翻耕(LP)增加了74.0%。NS年累計(jì)排放量高于NT,SP、PN與PT差異不顯著。(4)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的間接碳排放中,化學(xué)肥料占48.2%-79.0%,能耗排放占31.3%.間接碳排放量最大的平衡施肥翻耕(CS)模式年公頃排放達(dá)1456.5 kg?CO_2-eq,是最小的LN模式的1.26倍。N_2O、CH_4及農(nóng)業(yè)間接排放的增溫潛勢(shì)分別占碳生態(tài)足跡的1.4%、0.6%及5.5%。CP模式的溫室效應(yīng)最高,平均年生態(tài)足跡為21.5 t?CO_2-eq?ha~(-1),是LN(15.3t?CO_2-eq?ha~(-1))的1.4倍。平衡施肥的單位產(chǎn)量碳足跡最低,其中NT、NS模式約為4.3tCO_2-eq?ha~(-1)?t~(-1),較CP降低了26.5%。10年定位試驗(yàn)表明,平衡施肥結(jié)合保護(hù)性耕作有效的提高了單位面積產(chǎn)量和水分、肥料利用效率,改善了土壤結(jié)構(gòu),維持了較高的表層營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)了作物對(duì)養(yǎng)分的吸收,減緩了溫室氣體排放,降低了單位產(chǎn)量碳生態(tài)足跡。其中NS模式兼具了土壤生產(chǎn)力提高和固碳減排,具有最高的綜合效益,是渭北旱塬及同類(lèi)地區(qū)連作冬小麥田適宜的施肥和耕作模式。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：S512.11
【部分圖文】：

第二章 研究?jī)?nèi)容與方法2.1 試驗(yàn)區(qū)概況試驗(yàn)地位于渭北旱塬東部的陜西省合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)（圖 2-1），屬于黃土高原溝是半濕潤(rùn)易旱區(qū)的典型代表。該地區(qū)海拔 800-1200 m，四季多風(fēng)，年日照時(shí)數(shù) 2528年蒸發(fā)量 1832.8 mm；無(wú)霜期 190 天，年均氣 11.5 ℃，早晚溫差大，試驗(yàn)點(diǎn)的周年平均溫度及月平均降雨量分布見(jiàn)圖 2-2；年降雨量 500-700 mm，降水年際變化大，節(jié)分布不均，50%以上的降水集中在 7-9 月份，冬春干旱少雨；根據(jù) Guo 等(Guo,2012)的分類(lèi)方法并進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)由降雨量計(jì)算的干旱指數(shù)，將休閑期、生長(zhǎng)期種植年度降雨類(lèi)型分為豐水年、平水年和干旱年，相關(guān)信息見(jiàn)表 2-1。該地區(qū)土壤型黑壚土，沙粒、粉砂粒和粘粒分別占 34%、39%和 27%，黃土母質(zhì)深厚、疏松、有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分，土壤保水性能好，部分土壤理化性狀見(jiàn)表 2-2、2-3。

2.3.4 保護(hù)性耕作對(duì)連作麥田土壤化學(xué)性狀的影響分析 0-100 cm 不同土層的有機(jī)質(zhì)、NPK 組分含量及剖面總儲(chǔ)量對(duì)保護(hù)性耕作模式的響應(yīng)，研究不同耕作模式對(duì)團(tuán)聚體固碳的影響，比較團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量與總有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異。2.3.6 保護(hù)性耕作對(duì)土壤溫室氣體排放的影響分析指標(biāo)：CO2、CH4、N2O 通量，研究不同保護(hù)性模式下三種溫室氣體排放速率的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)周年期下的溫室氣體通量。描述渭北旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不同處理下的碳足跡，計(jì)算單位產(chǎn)量溫室氣體通量，結(jié)合產(chǎn)量和生態(tài)因素，建立最優(yōu)的耕種模式。2.4 技術(shù)路線

Si= 10CiRDP式中：Si代表 i 粒級(jí)團(tuán)聚體固碳量(t·ha-1) ; Ci為 i 級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量(g·kg-1) ; R為團(tuán)聚體所在土層的容重(g·cm-3) ; D 為土層厚度(m);P 為 i 級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%)。2.5.3 溫室氣體通量測(cè)定(沙麗清 2008)：靜態(tài)箱的設(shè)計(jì)與安裝：靜態(tài)箱設(shè)計(jì)為一面開(kāi)口的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)（圖 2-4），箱高 0.25 m，箱底長(zhǎng)寬均為 0.3 m，側(cè)面與頂部均由雙面鍍鋅的薄不銹鋼板（1 mm）制成，邊角用密封膠增加氣密性，箱內(nèi)中間部位設(shè)小風(fēng)扇及溫度計(jì)探頭，在箱體側(cè)面及頂部設(shè)置三個(gè)氣體采樣孔，一個(gè)溫濕計(jì)傳感線及風(fēng)扇電源線孔。為避免夏季高溫暴曬對(duì)溫度箱內(nèi)氣體加熱引起的實(shí)驗(yàn)誤差，在溫度箱的側(cè)面及頂面粘貼了 1 cm 的抗老化聚氨酯保溫層，最外層加設(shè)了隔水、反光的鋁箔層。靜態(tài)箱體平時(shí)與基座分離，僅采集氣體樣品時(shí)扣放至底座上，后者在試驗(yàn)期間被固定埋入在各小區(qū)預(yù)設(shè)的取樣點(diǎn)上�；瑯佑刹讳P鋼板制成，高 20cm，耕作、及收獲后即安裝至采樣點(diǎn)，深度 15 cm。在距基座底部 8 cm 處打直徑為 4 cm 的孔，以保證土壤的透氣性；底座上部設(shè)置水槽，水槽寬、高為 3 cm、2 cm，氣體樣品收集前注水 1.5 cm 左右，以保證扣放靜態(tài)箱時(shí)的氣密性。
【參考文獻(xiàn)】

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5 姜桂英;不同耕作方式和輪作模式對(duì)河南褐潮土肥力的影響[D];福建農(nóng)林大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2839851