本文關(guān)鍵詞：秸稈還田與減量施氮對(duì)土壤固碳、培肥和農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)的影響　出處：《西北農(nóng)林科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：維持足夠數(shù)量的耕地面積,并不斷提升這些農(nóng)田的肥力質(zhì)量,是國(guó)家為保障糧食安全要著力解決的重要戰(zhàn)略性問(wèn)題。小麥/玉米一年兩熟輪作制(麥玉輪作)是我國(guó)北方最為重要的糧食種植制度,維持該體系糧食生產(chǎn)可持續(xù)性在保障整個(gè)國(guó)家糧食安全方面意義重大。然而,麥玉輪作種植制度在以下三個(gè)方面尚存在亟待解決的問(wèn)題:首先,麥玉輪作體系中每年產(chǎn)生大量作物秸稈,可采取秸稈還田、飼料化和工業(yè)原料化等多種資源化利用途徑,眾所周知,秸稈還田有助于土壤有機(jī)碳固存和肥力改善,但秸稈還田與其他利用途徑客觀上存在資源爭(zhēng)奪問(wèn)題,尚不明確農(nóng)田本身需要?dú)w還秸稈的下限數(shù)量;其次,就秸稈還田而言,不合理還田方式會(huì)導(dǎo)致秸稈在腐解過(guò)程中釋放大量溫室氣體,從而加劇全球氣候變化,同時(shí)對(duì)土壤固碳培肥的效果尚不夠顯著;再次,麥玉輪作體系存在過(guò)量施氮現(xiàn)象,易造成氮素?fù)]發(fā)損失、地下水受硝酸鹽污染等環(huán)境問(wèn)題,如何在秸稈還田的同時(shí)合理減量施氮需要科學(xué)依據(jù)支撐。對(duì)于上述三方面問(wèn)題,雖然已經(jīng)開(kāi)展了大量工作,但是,要科學(xué)篩選出最有效提升土壤有機(jī)碳固存和土壤肥力水平的還田方式,科學(xué)回答麥玉輪作體系保持土壤有機(jī)碳盈余的碳投入數(shù)量及平衡點(diǎn),單季或雙季秸稈還田對(duì)于土壤固碳培肥的影響,以及秸稈還田條件下減量施氮對(duì)糧食可持續(xù)生產(chǎn)的影響等科學(xué)問(wèn)題,仍需進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。鑒于此,在2008 2014年期間,本研究基于秸稈還田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地,系統(tǒng)地探討了關(guān)中平原高度集約化條件下麥玉輪作體系中秸稈還田不同組合方式對(duì)土壤固碳、培肥和糧食持續(xù)生產(chǎn)的影響,并在雙季作物秸稈均還田條件下探討了減量施氮對(duì)糧田土壤碳氮變化和作物生長(zhǎng)的影響,以期為該區(qū)選擇適宜秸稈還田組合方式和施氮量來(lái)維持高度集約化麥玉輪作可持續(xù)生產(chǎn)。主要研究結(jié)果如下:(1)以持續(xù)4年(2008 2012)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了小麥和玉米殘?bào)w不同還田量對(duì)土壤有機(jī)碳固存、產(chǎn)量和可持續(xù)性的影響。結(jié)果表明,雙季殘?bào)w低量還田的碳儲(chǔ)量較試驗(yàn)前降低2.6%,而小麥、玉米殘?bào)w單季和雙季高量還田卻可增加1.9%、4.8%和14.4%,且維持土壤原有有機(jī)碳水平(0 20 cm土層27.17 Mg C/hm2)所需碳投入量為4.07 Mg/hm2/yr;小麥和玉米產(chǎn)量及其可持續(xù)性指數(shù)隨碳投入量增加而增加,且當(dāng)碳投入量為10.51 Mg/hm2/yr時(shí),可持續(xù)性指數(shù)可達(dá)0.651,而雙季殘?bào)w高量還田的碳投入量和平均產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)分別為9.76 Mg/hm2/yr和0.64,說(shuō)明通過(guò)農(nóng)藝措施的改進(jìn),作物產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)有望進(jìn)一步提高。(2)以持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究小麥秸稈3種還田方式(高留茬還田、粉碎直接還田和不還田)和玉米秸稈3種還田方式(粉碎直接還田、深松還田和不還田)所組合的9種組合方式對(duì)土壤容重、有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的影響。結(jié)果表明,與雙季不還田相比,小麥和/或玉米秸稈還田下0 40cm各土層土壤容重均有所降低,而土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量卻有所增加。與試驗(yàn)前相比,小麥和/或玉米秸稈還田均能顯著增加土壤等深度(0 20cm)和等質(zhì)量(2590和5730mg/hm2)有機(jī)碳儲(chǔ)量,其中小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田增幅可達(dá)10.6%、13.5%和9.1%,而雙季不還田卻降低5.5%、5.3%和5.0%;然而,0 40cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量?jī)H在雙季秸稈還田有所增加,而小麥或玉米秸稈單季還田和雙季不還田均有所降低。因此,在高度集約化麥玉輪作生產(chǎn)中,小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田的土壤有機(jī)碳固存效果最佳。(3)基于持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗(yàn),探討了小麥和玉米秸稈還田9種組合方式對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性組分(總、高、中和低活性)含量和儲(chǔ)量及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響。結(jié)果表明:小麥和/或玉米秸稈還田的土壤有機(jī)碳及其活性組分含量和儲(chǔ)量較雙季不還田均有所提高,且均表現(xiàn)為雙季秸稈還田單季還田雙季不還田。小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田在0 40cm土層的土壤有機(jī)碳和總、中活性有機(jī)碳儲(chǔ)量最高,較其雙季不還田可顯著增加12.4%、32.7%和80.2%;而高活性有機(jī)碳在小麥秸稈粉碎直接還田 玉米秸稈深松還田取得最大值,較雙季不還田可顯著增加16.1%,但與前者無(wú)顯著差異;低活性有機(jī)碳在各還田組合方式下均無(wú)顯著差異。土壤總、高、中和低活性有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)的變化趨勢(shì)與其活性有機(jī)碳儲(chǔ)量一致,且小麥秸稈粉碎直接還田 玉米秸稈深松還田的土壤總和中活性有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)較其均不還田的增幅分別可達(dá)37.0%和86.1%。可見(jiàn),在高度集約化麥玉輪作生產(chǎn)中,小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田對(duì)土壤有機(jī)碳(特別是中活性有機(jī)碳)數(shù)量和質(zhì)量的提高效果最佳。(4)利用持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗(yàn)中對(duì)小麥和玉米秸稈還田9種組合方式下作物產(chǎn)量、系統(tǒng)物質(zhì)投入和人工投入等資料,估算作物生產(chǎn)過(guò)程中碳投入、碳產(chǎn)出、碳效率和經(jīng)濟(jì)收益,進(jìn)而探討高度集約化麥玉輪作生產(chǎn)過(guò)程中的固碳減排效應(yīng)。結(jié)果表明:在輪作周期內(nèi)各還田組合方式下碳投入為2765~3161kgc/hm2,其中雙季秸稈不還田最小,而小麥秸稈粉碎還田 玉米秸稈深松還田最大,且灌溉碳投入最高,其次為機(jī)械和化肥碳投入。輪作周期內(nèi)碳產(chǎn)出總量、碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟(jì)效率、碳生態(tài)效率、純收益、勞力成本收益率和物質(zhì)成本收益率均在小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田取得最大值�？梢�(jiàn),在高度集約化麥玉輪作生產(chǎn)中,采用小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田能夠取得最高碳效率和經(jīng)濟(jì)收益,進(jìn)而取得環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。(5)運(yùn)用可持續(xù)性指數(shù)法評(píng)價(jià)了秸稈不同還田組合方式下高度集約化麥玉輪作農(nóng)田系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展?jié)摿�。結(jié)果表明,與雙季秸稈不還田相比,小麥和/或玉米秸稈還田能有效提高土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、速效氮、速效磷、速效鉀儲(chǔ)量、微生物量含量和蔗糖酶、蛋白酶、堿性磷酸酶、脫氫酶活性以及作物產(chǎn)量。小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田的養(yǎng)分指數(shù)和作物指數(shù)最高,而小麥秸稈粉碎直接還田 玉米秸稈粉碎直接還田的微生物指數(shù)最高,然而,前者系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)顯著高于后者�？梢�(jiàn),在高度集約化麥玉輪作生產(chǎn)中,采用小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田組合方式最利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。(6)基于持續(xù)6年(2008 2014)的小麥/玉米一年兩熟田間定位試驗(yàn),研究小麥、玉米秸稈全量還田下在常規(guī)施氮(即玉米季施氮187.5 kg/hm2、小麥季施氮150 kg/hm2)基礎(chǔ)上減量施氮對(duì)土壤碳氮變化和作物生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明:30%減量施氮的玉米籽粒產(chǎn)量較常規(guī)施氮顯著降低9.4%,而15%減量施氮無(wú)顯著變化。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在各施氮水平下較試驗(yàn)前均有所增加,而15%和30%減量施氮較常規(guī)施氮可顯著降低6.5%和10.3%,活性有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著降低15.8%和19.7%,且碳庫(kù)管理指數(shù)在30%減量施氮亦顯著降低20.9%。15%和30%減量施氮下小麥?zhǔn)斋@后0 200 cm土層礦質(zhì)氮累積量較正常施氮顯著降低12.9%和22.8%,且玉米收獲后顯著降低11.1%和22.9%。與正常施氮相比,30%減量施氮可顯著降低作物籽粒和秸稈氮含量和吸收量。15%和30%減量施氮的土壤表觀氮平衡和氮平衡率較正常施氮均有所降低,且隨著施氮量的降低而降低,但仍可維持土壤氮素平衡�？梢�(jiàn),綜合考慮作物產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳固存、作物養(yǎng)分吸收和土壤表觀氮平衡,15%減量施氮可作為為該區(qū)最佳施氮量。綜上所述,本試驗(yàn)條件下,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在小麥或玉米殘?bào)w單季高量還田下即可得以維持,而雙季高量還田對(duì)土壤有機(jī)碳固存和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展最為有利。小麥和/或玉米秸稈還田利于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和活性的提高,且小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田的提高效應(yīng)最佳,同時(shí),該方式最利于土壤肥力質(zhì)量、系統(tǒng)可持續(xù)性、碳效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高。另外,在雙季秸稈還田常規(guī)施氮基礎(chǔ)上15%減量施氮對(duì)作物籽粒產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其活性、作物氮磷鉀吸收和土壤氮素平衡均無(wú)顯著影響。因此,在高度集約化麥玉輪作生產(chǎn)中,采用小麥秸稈高留茬還田 玉米秸稈深松還田組合方式利于土壤固碳、培肥和糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性,且在雙季秸稈還田常規(guī)施氮基礎(chǔ)上15%減量施氮(即玉米季施氮160 kg/hm2、小麥季施氮130 kg/hm2)為較優(yōu)施氮量。
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【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S512.1;S513
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本文編號(hào)：1349788