犁底层对作物生产与环境效应的影响及其机制研究

摘要

黄淮海平原是我国重要的粮食主产区，对保障国家粮食安全具有重要意义，但由于土地分散经营，小型农机具在农业生产中占据主导地位，长期以旋代耕造成土壤紧实、耕层变浅等诸多耕层结构问题，不合理的耕层构造不仅制约耕层生产潜力的发挥、严重影响作物生长，而且导致水肥利用率低下，加剧环境污染。因此构建合理耕层结构对充分挖掘耕层潜力、保障我国粮食安全和农业可持续发展具有十分重要的意义。而犁底层是构建合理耕层结构所要面临的首要问题之一，针对于此，不同学者提出了不同的耕层构建方法，但对于犁底层区域分布特点及适宜破除程度，尚未形成统一结论。因此明确农田犁底层特点及区域分布特征，摸清犁底层不同破除程度对作物生长及土壤环境的影响及作用机理，探索一种固碳减排稳产的犁底层改良方式，对构建合理耕层结构具有重要意义。
　　为解决以上问题，本研究主要进行了如下三项工作:(1)区域调研:为了解黄淮海平原犁底层特点及区域特征，于2014年冬小麦拔节期选取黄淮海平原两典型县域（河北吴桥县、山东陵县）开展耕层结构布点调研;(2)定位试验:为摸清不同犁底层破除程度对作物生长与土壤环境的影响，于2014-2015年在山东德州农科院试验站布置了冬小麦和夏玉米田间定位试验，根据调研结果及试验点耕层结构状况，设置如下处理，设置犁底层不破除(RT15)、犁底层破除1/3(DL20)、犁底层破除2/3(DL25)、犁底层完全破除(DL40)4个犁底层破除程度处理，同时各处理设置对应不施氮肥对照(CK15、CK20、CK25、CK40);(3)15N示踪土柱模拟试验:为探索犁底层不同破除程度对作物生长及土壤环境的影响机制，设置15N示踪的土柱模拟试验，试验分别在轻壤和重壤两种土壤质地条件下，设置犁底层15 cm、10 cm、5 cm、0 cm来模拟犁底层不同破除程度，设置犁底层容重1.65 g·cm-3、1.75 g·cm-3和1.85 g·cm-3来模拟犁底层容重随耕作时间的增加而增大。全文主要结论概况如下:
　　(1)黄淮海平原犁底层特点及区域分布特征:108点剖面调研结果发现，黄淮海北部地区74％-78％被调研点存在农田犁底层，表明农田犁底层是普遍存在的。调研区域耕层平均厚度为14.7 cm，犁底层主要分布在15-30 cm之间，犁底层平均容重约为1.54 g·cm-3，冬小麦拔节期犁底层平均穿透阻力为2556.0 kpa，均显著高于耕层及心土层(P＜0.05)。目前黄淮海北部地区犁底层现状不利于作物根系生长及作物对土壤养分的充分利用，需要适度打破犁底层，构建合理耕层结构。
　　(2)打破犁底层对土壤容重、穿透阻力及水分动态的影响:本研究中，完全或者部分破除犁底层均能够显著降低10-30 cm土壤容重及穿透阻力(P＜0.05)，各处理降低幅度具体表现为DL40＞DL25＞DL20＞RT15。
　　完全或者部分破除犁底层有助于增加降水或灌溉后水分入渗、减少水分的无效耗散，对于干旱期作物生长调用深层水分并在雨季含蓄水分起到有利作用。DL20、DL25和DL40处理有利于增加降水或灌溉后水分入渗，冬小麦苗期20-70 cm土壤平均含水量较RT15处理提高5.3％、15.9％和23.6％(P＜0.05)，冬小麦季耗水量提高了4.9％、10.2％和11.6％(P＜0.05);夏玉米季苗期20-70 cm土壤平均含水量分别较RT15处理提高7.7％、14.2％和15.8％(P＜0.05)，但夏玉米季耗水量分别降低了5.8％、7.6％和10.5％(P＜0.05)。
　　农田土壤穿透阻力受温度、水分调控作用明显，且与土壤水分存呈极显著负相关关系(P＜0.01)、与土壤容重呈极显著正相关关系(P＜0.01)。干旱时期，土壤穿透阻力急剧增大，进一步限制了作物对水分的吸收利用，加剧了作物水分胁迫;犁底层穿透阻力受冻融作用影响显著，各处理在冬小麦越冬期穿透阻力达到1925.4-4423.7 kpa。
　　(3)打破犁底层对作物光合特性、根系生长及作物产量的影响:打破犁底层能够提高冬小麦和夏玉米净光合速率、气孔导度、蒸腾作用及叶片水分利用率，但完全破除犁底层较适当保留犁底层(5 cm)夏玉米叶片净光合速率有小幅降低。
　　不同程度破除犁底层显著影响作物根系总干重及根系在土体中的空间分布规律。冬小麦和夏玉米根系总干重随犁底层厚度的降低而增大、随犁底层容重的增加而降低。传统犁底层结构下，作物根系主要分布在0-15 cm范围内，打破犁底层能够提高根系深层分布比例;当犁底层容重分别为1.65 g·cm-3、1.75 g·cm-3和1.85 g·cm-3时，冬小麦、夏玉米根系最大下扎深度分别为70 cm、50 cm和30 cm以及70 cm、50 cm和50 cm。
　　犁底层破除程度与土壤养分存在耦合效应。不施氮肥条件下，作物秸秆干重、地下部干重、籽粒产量及总生物量均随着犁底层破除程度的增加而增大，而施氮条件下，冬小麦和夏玉米秸秆干重、地下部干重、籽粒产量及总生物量均随着犁底层破除程度的增加而呈现增加趋势，DL25处理籽粒产量最大，但完全破除犁底层，并不利于作物籽粒产量等指标进一步提升。打破犁底层有利于增加作物生育期吸氮量，提高作物氮肥农学利用效率、氮肥回收利用率及氮肥偏生产力，但完全破除犁底层各项指标均有下降，甚至达显著水平(P＜0.05)。
　　(4)打破犁底层对土壤温室气体（CO2、N2O及CH4）排放规律及生态系统综合增温潜势的影响:打破犁底层，增加了土壤扰动，显著提高了土壤CO2平均排放通量和周年累积排放量，但同时还提高了作物净初级生产力，增加了对CO2的吸收固定，最终麦玉轮作生态系统净初级生产力得到提高，DL25和DL40处理间无显著差异(P＞0.05);打破犁底层有利于缩短排放峰持续时间，降低排放峰强度，从而显著降低N2O周年累积排放量，且随着犁底层破除程度的增大，降低幅度越大，同时有利于降低N2O排放系数和排放强度;各处理CH4周年累积排放量为-1.94--1.00kg C·ha-1，均表现为CH4汇，且随着犁底层破除程度的增加，CH4汇强度增大。
　　不同处理条件下，CO2季节性排放规律明显，夏玉米季CO2累积排放量显著高于冬小麦季(P＜0.05);各处理土壤呼吸与土壤温度之间呈显著的指数相关关系，但受土壤水分影响不显著。不同处理条件下N2O排放主要表现为受事件驱动（灌溉、施肥、降水等），但玉米季施肥量大、季节性降水集中、土壤温度较高，N2O排放峰强度明显大于冬小麦季，各处理生育期N2O平均排放通量较冬小麦季提高92.1％-172.4％(P＜0.05)，夏玉米季N2O减排潜力更大;本研究不同处理间N2O排放系数在0.43％-0.73％之间，远低于IPCC推荐值1％;各处理条件下土壤表层(0-15 cm)体积含水量与N2O排放通量之间均呈现极显著指数相关关系(P＜0.01)。
　　综合考虑三种温室气体增温潜势GWPSOILEXPORT以及作物净初级生产力增温潜势GWPNPP，各处理均表现为温室气体汇，其中DL25处理生态系统综合增温潜势最小，固碳效应最强，而DL40处理由于GWPCO2过大，导致生态系统综合净温室效应最大，固碳效果最弱。
　　(5)犁底层通过影响土壤养分迁移、分布及去向来影响作物生长及农田土壤环境:随着土壤深度的增加，氮素残留比例逐渐降低，且随着犁底层厚度的减小，氮素淋溶强度增大，土壤表层氮素残留比例逐渐降低，深层氮素残留比例逐渐升高，重壤质地表层氮素残留比例较轻壤质地残留比例提高46.2％-82.4％;轻壤质地，完全打破犁底层有利于作物对氮素的吸收，降低氮素的气态损失，但却增加了土壤的氮素残留，降低了氮素有效性，不完全破除犁底层(5 cm)，则既可以提高氮素的作物吸收比例，同时减少土壤氮素残留和气态损失;重壤质地条件下，氮肥作物吸收比例为57.1％-60.6％，较轻壤质地明显提高，而氮素气态损失则明显降低;两种质地，作物氮素吸收比例均随着容重的增加而降低，土壤残留和气态损失比例均随着容重的增加而增加。
　　综上所述，在目前黄淮海平原农田耕层结构条件下，犁底层的存在阻碍了作物生长、制约了作物对土壤养分及水分的利用，限制了耕层潜力的发挥，打破犁底层有利于作物产量的提高，但完全破除犁底层限制作物产量进一步提升，综合考虑经济效益和环境效益，适度打破犁底层是最优选择。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2．1 国外耕层构建技术发展现状

1．2．2 国内耕层构建技术发展现状

1．3 不同耕层结构对作物及土壤环境的影响

1．3．1 不同耕作方式对作物生长的影响

1．3．2 不同耕作方式对土壤理化环境的影响

1．4 研究契机

第二章 试验材料与研究方法

2．1 研究内容和技术路线

2．1．1 研究内容

2．1．2 技术路线

2．2 区域调研

2．2．1 调研区域概况

2．2．2 调研方案

2．3 大田定位试验

2．3．1 试验点概况

2．3．2 大田试验方案

2．3．3 大田试验试验地准备

2．3．4 大田试验供试土壤

2．4 土柱模拟试验

2．4．1 土柱试验方案

2．4．2 土柱模拟试验实施

2．4．3 土柱模拟试验供试材料

2．5 样品采集与测定

2．5．1 定位试验样品采集与测定

2．5．2 土柱试验样品采集与测定

2．6 数据处理和统计分析

第三章 黄淮海北部区犁底层现状及特征分析

3．1 农田剖面容重特征分析

3．2 农田剖面穿透阻力特征分析

3．3 黄淮海北部区农田犁底层深度、厚度分布

3．4 农田穿透阻力与容重、水分的关系

3．5 讨论

3．5．1 黄淮海北部地区农田土壤剖面垂直变化特征

3．5．2 穿透阻力与土壤水分及容重的关系

3．6 小结

第四章 不同犁底层破除程度对土壤理化性状的影响

4．1 冬小麦播前不同处理剖面容重和穿透阻力分布特征

4．1．1 冬小麦播前剖面容重特征

4．1．2 冬小麦播前剖面容重特征

4．2 不同处理对冬小麦-夏玉米轮作农田土壤水分分布的影响

4．2．1 不同处理对冬小麦关键生育期土壤水分分布的影响

4．2．2 不同处理对夏玉米关键生育期土壤水分分布的影响

4．3．1 不同处理对冬小麦生育期土壤穿透阻力动态变化的影响

4．3．2 不同处理对夏玉米生育期土壤穿透阻力动态变化的影响

4．4 不同处理对冬小麦-夏玉米耗水量及水分利用效率的影响

4．5 讨论

4．5．2 不同处理对冬小麦-夏玉米农田土壤水分的影响

4．5．3 不同处理对冬小麦-夏玉米农田穿透阻力动态变化的影响

4．6 小结

第五章 不同犁底层破除程度对作物生长及氮肥吸收利用的影响

5．1 不同犁底层破除程度对冬小麦，夏玉米光合特性的影响

5．2 不同犁底层厚度及容重对作物根系生长的影响

5．2．1 不同犁底层厚度及容重对冬小麦根系生长的影响

5．2．2 不同犁底层厚度及容重对夏玉米根系生长的影响

5．3 不同犁底层破除程度对作物产量及干物质重的影响

5．3．1 不同犁底层破除程度对冬小麦产量及干物质重的影响

5．3．2 不同犁底层破除程度对冬小麦产量构成因素影响

5．3．3 不同犁底层破除程度对夏玉米产量及干物质重的影响

5．4 不同犁底层破除程度对作物氮肥吸收及利用效率的影响

5．4．1 不同犁底层破除程度对作物地上部吸氮量的影响

5．4．2 不同犁底层破除程度对作物氮肥利用效率的影响

5．5 讨论

5．6 小结

第六章 不同犁底层破除程度对温室气体排放及生态系统综合增温潜势的影响

6．1．2 不同耕层结构下冬小麦-夏玉米农田CO2周年累积排放量

6．1．3 CO2排放通量影响因素分析

6．1．4 不同耕层构造对作物净初级生产力的影响

6．1．5 麦玉轮作生态系统净生态系统生产力

6．2 不同耕层结构下冬小麦-夏玉米农田N2O排放的影响

6．2．2 不同耕层结构下冬小麦-夏玉米农田N2O周年累积排放量及排放系数

6．2．3 N2O排放通量影响因素分析

6．3 不同耕层结构下冬小麦-夏玉米农田CH4排放的影响

6．4 不同耕层结构下麦玉轮作生态系统综合增温潜势

6．5 讨论

6．6 小结

第七章 犁底层对作物生长及土壤环境的影响机理初探

7．1 不同犁底层结构下氮肥淋溶特征

7．1．1 冬小麦收获期氮肥淋溶特征

7．1．2 夏玉米收获期氮肥淋溶特征

7．2 不同犁底层结构下作物氮素吸收规律

7．2．1 冬小麦氮素吸收来源

7．2．2 后茬作物对前茬残留氮肥的利用

7．2．3 夏玉米氮素吸收来源

7．3 不同犁底层结构下氮肥的土壤残留率

7．3．1 冬小麦收获期氮肥土壤残留率

7．3．2 夏玉米收获期氮肥土壤残留率

7．4 不同犁底层结构下植株-土壤氮肥平衡

7．5 讨论

7．6 小结

8．1 主要结论

8．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简历