本文關鍵詞：保護性耕作措施下西北旱作麥玉兩熟體系碳平衡及經濟效益分析

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【摘要】：近年來,由溫室效應引起的全球氣候變化已成為當今世界人們關注的焦點。在農田生態(tài)系統(tǒng)中,碳固定和碳排放均占有重要地位。因此,不同農業(yè)措施下土壤碳排放、土壤有機碳的動態(tài)及農業(yè)溫室氣體減排的技術潛力研究受到國內外的廣泛關注。此外,加強農田土壤保持性耕作管理,科學認識和調控農田耕作系統(tǒng)能流,提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)固碳減排能力和經濟效益,對于控制農業(yè)溫室氣體排放和增加農民收入而言具有重要的價值。然而,在西北旱作冬小麥-夏玉米農田生態(tài)系統(tǒng)下有關不同耕作措施對碳平衡、能量利用效率及經濟效益的綜合評價比較鮮見。基于此,本試驗以長期(6年)翻耕無秸稈還田為對照(CT),通過連續(xù)2年(2013.10-2015.10)的田間試驗研究了3種保護性耕作措施[旋耕秸稈還田(RTS)、免耕秸稈還田(NTS)和深松耕秸稈還田(STS)]對西北旱作冬小麥-夏玉米一年兩熟農田生態(tài)系統(tǒng)的作物產量以及經濟效益、土壤呼吸以及對應的組分變化、土壤呼吸速率與土壤水溫的相關關系、冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、能量利用效率的影響,以期探尋在西北旱作冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)保護性耕作措措施下的碳循環(huán)規(guī)律以及配套的固碳增效的耕作措施,從而為麥玉兩熟區(qū)適宜的耕作方案的應用提供理論依據。研究結果對于深入分析其中的碳循環(huán)規(guī)律和發(fā)展低碳、可持續(xù)農業(yè)等具有重要的價值。最終得出的研究結果為:1.保護性耕作措施下冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)作物產量及經濟效益分析兩年試驗期,深松耕秸稈還田較其他耕作處理均能增加作物周年生產力和總產值。在2013-14和2014-15年深松耕還田分別較翻耕無還田、免耕覆蓋和旋耕還田增加了周年生產力16.2%、11.9%、12.7%和18.3%、13.5、14.6%。三種保護性耕作措施較傳統(tǒng)翻耕處理均減少了投入成本,采用免耕覆蓋、深松耕還田和旋耕還田減少機械投入有利于增加小麥-玉米農田生態(tài)系統(tǒng)經濟效益,并且以深松還田處理的經濟效益最高。2.不同耕作措施對土壤呼吸速率及其組分的影響不同耕作措施對土壤呼吸速率的季節(jié)變化和總量影響的結果為:兩個小麥生長季內,4種耕作方式下土壤呼吸速率的季節(jié)變化趨勢基本一致,在越冬期最低,之后又逐漸升高,至成熟收獲期略有降低。整個冬小麥生長季土壤呼吸總量表現(xiàn)為STSRTSCTNTS。兩年作物生育期,不同耕作措施下根系呼吸占土壤呼吸的比例在20.4~25.7%之間波動。兩個夏玉米生長季內,4種耕作方式下土壤呼吸速率隨夏玉米生長而變化,在夏玉米生長季內表現(xiàn)出單峰型變化趨勢,在夏玉米抽雄期達到最大,之后又呈波浪式變化趨勢直至成熟收獲期。整個夏玉米生長季土壤呼吸總量表現(xiàn)為stsrtsctnts。不同耕作措施下根系呼吸速率占土壤呼吸速率的比例在45.3~62.2%之間波動。3.土壤呼吸與土壤水分、溫度的關系兩個小麥生長季內,4種耕作措施下土壤溫度分別能夠解釋土壤呼吸季節(jié)變化的50~86%。而在兩個夏玉米生長季內,土壤溫度可以解釋土壤呼吸季節(jié)變化的1~41%。20cm土壤水分含量和土壤呼吸速率的相關關系表明:2013-14年冬小麥生長季,土壤水分和土壤呼吸速率無關。2014-15年,冬小麥生長季,在sts和rts處理下,土壤水分與土壤呼吸速率負相關,而nts和ct兩個處理下土壤水分與土壤呼吸速率不相關。2013-14年夏玉米生長季內,土壤水分含量在rts和ct兩個處理下與土壤呼吸速率正相關,土壤水分含量在sts和nts處理下與土壤呼吸速率不相關。而2014-15年夏玉米生長季內,土壤水分含量與土壤呼吸速率都不相關�？梢�,土壤水分與土壤呼吸的相關關系比較復雜,并沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。4.保護性耕作措施下冬小麥-夏玉米田土壤凈碳釋放量分析研究表明無論是保護性耕作還是傳統(tǒng)翻耕措施,其化肥尤其是氮肥碳排放都是冬小麥-夏玉米農田生產資料排碳量的第一大來源。免耕措施下盡管增加了農藥帶來的碳排放,但免耕下冬小麥-夏玉米田生態(tài)系統(tǒng)農業(yè)生產資料碳排放總量仍比傳統(tǒng)翻耕少排放碳22.4%,充分說明免耕秸稈覆蓋技術是一項有效的增產低碳技術。不同耕作措施下農田投入造成的碳排放為ctrtsstsnts,nts分別比ct、rts和sts碳減排168.78和75.01和59.50kgcha-1;免耕秸稈覆蓋促進了冬小麥-夏玉米農田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳固定,冬小麥-夏玉米農田土壤總體碳固定大小順序依次分別為ntsstsrtsct。5.保護性耕作措施下冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及能量利用效率分析對保護性耕作措施下冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)碳平衡進行分析,結果表明:冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)在保護性耕作措施下均表現(xiàn)出固碳,但傳統(tǒng)翻耕措施下卻表現(xiàn)為碳排放。并且不同耕作方式下凈碳排放值差異顯著,2013-14和2014-15年nts、rts、sts處理下冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)比ct分別多固碳2.53、1.05、1.24tcha-1yr-1和6.14、4.66、4.85tcha-1yr-1,3種保護性耕作措施較傳統(tǒng)翻耕能夠降低冬小麥-夏玉米農田生態(tài)系統(tǒng)能量投入,是維持和提高該生態(tài)系統(tǒng)能量利用效率的有效途徑。6.保護性耕作措施下西北旱作麥玉兩熟區(qū)土壤固碳機理分析為了從微生物角度探究保護性耕作措施的固碳機理,本研究采用18srrna分析了保護性耕作措施下西北旱作麥玉兩熟區(qū)土壤叢枝菌根(arbuscularmycorrhizal,am)真菌多樣性,并且利用主成分分析法分析了該地區(qū)土壤有機碳含量和am菌多樣性的相關關系,結果顯示:nts較ct處理能夠增加叢枝菌根真菌屬septoglomus和glomus的百分含量,但是卻降低了glomerales屬的百分含量,nts處理較ct能夠增加大團聚體和小團聚體含量。與CT處理相比,NTS處理依次分別增加了各個粒徑土壤有機碳含量9.2-91.1%。并且NTS較CT處理增加了土壤團聚體平均重量直徑9.8%。土壤有機碳含量與Septoglomus和Glomus屬百分含量顯著正相關;大團聚體含量是影響該地區(qū)有機碳含量的主要因素。因此,土壤呼吸速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變異性,并且兩年作物生長季呼吸總量在不同耕作措施下均表現(xiàn)為STSRTSCTNTS,作物不同生育期不同耕作措施下根系呼吸所占比例不同。通過對農田耕作系統(tǒng)能/碳平衡綜合分析可以看出,保護性耕作措施下可能用少投、節(jié)能和減少土壤擾動來增加土壤有機碳、經濟效益以及通過提高能量利用效率來提高農田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳減排凈效應,其中免耕覆蓋處理更有利于西北旱作冬小麥-夏玉米農田生態(tài)系統(tǒng)的固碳,而深松還田處理的增產增收效益要大于免耕地、旋耕地和翻耕地。NTS處理有利于保護AM真菌群落組成從而有利于該地區(qū)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前西北旱作冬小麥-夏玉米田還主要依靠化肥來增加產量,從可持續(xù)農業(yè)發(fā)展的角度看,提高肥料利用率從而減少化肥投入與選擇合適的農業(yè)管理措施(如秸稈還田等)是溫室氣體減排的根本舉措。此外,本研究為短期的田間試驗,今后可定點研究長期不同耕作措施對土壤有機碳的影響。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S513;S512.11

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本文編號：1258095