【摘要】：水資源短缺加劇和溫室氣體排放增加是影響華北平原農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大問題。華北平原是中國最大的沖積平原,其小麥產(chǎn)量占全國總量的60%以上,為了確保冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),各地都修建了較為完善的灌溉設(shè)施,并在冬小麥生產(chǎn)中盡可能的根據(jù)需要進(jìn)行灌溉。灌溉可以調(diào)節(jié)土壤水分狀況,進(jìn)而影響土壤氮循環(huán),從而改變土壤二氧化碳(CO_2,甲烷(CH_4)和氧化亞氮(N_2O)等溫室氣體的排放。因此,研究不同灌溉模式對(duì)提高冬小麥產(chǎn)量、改善水分利用效率及減少麥田溫室氣體排放的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究于2017年和2018年兩個(gè)冬小麥生長季的4月和5月份進(jìn)行,利用靜態(tài)箱色譜法研究了不同灌溉模式下CO_2、CH_4和N_2O的通量變化規(guī)律。選取的灌溉方式包括滴灌(D)、噴灌(S)和地面灌(F),設(shè)置的灌溉制度分別為灌水下限控制為田間持水量的50%(1)、60%(2)和70%(3),組合為9種處理,分別標(biāo)記為D1,D2,D3,S1,S2,S3,F1,F2和F3,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),重復(fù)三次。主要研究結(jié)果如下:1、統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,灌溉方式和灌溉制度對(duì)籽粒產(chǎn)量,水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)都具有顯著影響。2017年和2018年兩個(gè)生長季,與噴灌和地面灌相比,滴灌條件下的籽粒產(chǎn)量分別提高了5-8%和6-7%,WUE提高了1-3%和6%。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在冬小麥生產(chǎn)過程中,使用滴灌供水且土壤水分下限控制為田間持水量的60%,能夠獲得較高的籽粒產(chǎn)量和最佳的WUE,同時(shí)還能夠顯著降低CO_2排放當(dāng)量和單位產(chǎn)量尺度的GWP。根依據(jù)本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以認(rèn)為,從高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、提高水分利用效率、減少溫室氣體排放幾個(gè)方面綜合考慮,滴灌與60%田間持水量的灌溉控制下限組合,是一種能夠?qū)崿F(xiàn)華北地區(qū)冬小麥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境效益“雙贏”目標(biāo)的灌溉模式。2、2017年和2018年生長季平均土壤CO_2通量變化在548±8至778±7 mg CO_2 m~(-2) h~(-1)和599±1.4至842±3.6 mg CO_2 m~(-2) h~(-1)之間。最大累積CO_2量出現(xiàn)在F3處理(2017年和2018年分別為10和11.31 Mg ha~(-1)),而最小累積CO_2量出現(xiàn)在D1處理(2017年和2018年分別為7.24和7.52 Mg ha~(-1))。2017年CO_2排放量的全球增溫潛勢(shì)值(GWP_(CO2))范圍為26.56Mg CO_2-eq ha~(-1)(D1)到36.63 Mg CO_2-eq ha~(-1)(F3),2018年則為27.59 Mg CO_2-eq ha~(-1)(D1)到41.47 Mg CO_2-eq ha~(-1)(F3)。2017年和2018年,滴灌條件下的累積CO_2排放均最低,相比噴灌和地面灌分別降低7 8%和15 13%。兩年的試驗(yàn)中,地面灌溉處理的累積CO_2全球增溫潛勢(shì)值(GWP_(CO2))均最高,相比噴灌和滴灌,2017年分別提高5-9%,2018年則分別提高14-17%。2017年和2018年,70%灌溉下限處理的GWP_(CO2)要比50%和60%灌溉下限處理的數(shù)值分別明顯的高7-8%和14-24%。60%灌溉下限的滴灌處理顯著減少了CO_2排放,與地面灌和噴灌相比,2017年和2018年的降低幅度分別為5-8%和9-13%。兩個(gè)生長季,灌溉方式和灌溉制度對(duì)累積CO_2排放量和GWP_(CO2)的影響均達(dá)到極顯著水平(P0.001)。3、2017年和2018年生長季,平均CH_4通量范圍分別為-43.18±1.3(S1)至-61.21±0.8(D3)μg CH_4 m~(-2) h~(-1)和-27.52±0.8(S1)至-60±1.52(D3)μg CH_4 m~(-2) h~(-1)。與地面灌和噴灌相比,60%FC下滴灌處理在2017年和2018年的CH_4吸收率分別增加了8-13%和4-5%。2017年和2018年,不同處理的CH_4全球增溫潛勢(shì)值(GWP_(CH4))分別在-14.35(S1)至-21.58(D2)kg CO_2-eq ha~(-1)和-12.86(S1)至-19.7(D2)kg CO_2-eq ha~(-1)的范圍內(nèi)變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示,與噴灌和地面灌相比,2017年滴灌處理的GWP_(CH4)分別提高13%和6%,而在2018年則分別提高10%和4%。2017年,60%田間持水量處理的GWP_(CH4)吸收值要分別比70%FC和50%FC處理相提高11%和35%;而在2018年,GWP_(CH4)則分別提高7%和44%。在各種灌溉模式處理中,滴灌和60%FC的組合能夠顯著地增加CH_4吸收量和GWP_(CH4)吸收值。這一結(jié)果表明,滴灌與土壤水分下限控制為60%田間持水量的組合模式,可能是華北平原冬小麥生產(chǎn)中提高CH_4和GWP_(CH4)吸收的最有效灌溉策略。4、施肥并伴隨灌溉之后,會(huì)出現(xiàn)明顯的N_2O短暫排放高峰,2017年和2018年的N_2O日排放峰值均在灌水下限70%的地面灌溉處理下觀測得到,通量值分別為330.2±3.94和332.7±1.2μg m~(-2) h~(-1)。2017年和2018年,N_2O日排放通量最低峰值則出現(xiàn)在灌水下限50%的滴灌處理上,分別為168.1±1.45和154.1±6.99μg N_2O m~(-2) h~(-1)。與地面灌和噴灌相比,滴灌和60%FC下限的組合,N_2O排放通量在2017年和2018年分別下降了16-17%和28-30%。兩年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與其他兩種灌溉方式相比,滴灌在各種灌溉控制下限條件下,都能夠顯著降低土壤N_2O排放。50%FC處理與60%FC處理相比,雖然GWP_(N2O)減少了15-20%,但卻會(huì)造成12-16%的減產(chǎn);因此可以認(rèn)為,在華北冬小麥生產(chǎn)中,滴灌加灌水下限控制在60%FC的組合是經(jīng)濟(jì)收益和生態(tài)效益相對(duì)較好的灌溉模式。5、多元線性回歸分析表示土壤孔隙含水量能夠解釋71%、83%和30%的CO_2、CH_4和N_2O排放變化。土壤溫度則對(duì)三種溫室氣體排放沒有顯著性影響。土壤硝態(tài)氮能夠解釋整個(gè)實(shí)驗(yàn)期72%的N_2O變化。6、與噴灌和地面灌相比,2017年和2018年滴灌可分別減少總?cè)蛟鰷貪搫?shì)值(TGWP)8%和13-15%;單位產(chǎn)量尺度上的GWP值也要明顯的低,2017年和2018年分別降低了10-13%和19-20%。50%FC處理在2017年和2018年的TGWP都較低,分別比60%FC和70%FC處理低7-14%和13-20%。與50%FC和70%FC處理相比,60%FC處理的單位產(chǎn)量尺度GWP在2017年和2018年分別降低了3-4%和8-9%。不同灌溉模式相比,滴灌與灌水下限50%FC和60%FC的組合能夠顯著降低累積溫室氣體排放、TGWP和單位產(chǎn)量尺度的GWP。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,灌溉方式和灌溉制度對(duì)累計(jì)CO_2、CH_4和N_2O排放量,以及TGWP、單位產(chǎn)量尺度的GWP都有極顯著的影響(P0.001)。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S274;S181


本文編號(hào)：2723804