耕作方式对玉米小麦复种系统生产力和温室气体排放的影响

摘要

玉米-小麦农作系统是世界上最重要的粮食生产系统之一。当前，玉米和小麦的产量仍需要进一步的增加以满足人口日益增长的需求。而为了进一步提高作物产量，过量施用氮肥，导致氮肥利用率低和严重的环境问题。农田也是重要的温室气体排放源，栽培和耕作等农艺措施显著影响N2O和CH4等温室气体的排放。中国是世界上最大的小麦、玉米生产国，分别占世界小麦、玉米产量的17.9％和23.8％，同时中国也足最大的农田碳排放国家之一。华北平原是中国的粮食主产区，其玉米-小麦一年两熟制是主要的农作模式。为了进一步的提高作物产量和氮肥利用效率，很多学者就耕作、栽培等农艺技术方面开展了创新性的研究，并且就农田温室气体排放方面也开展了相关研究，但是关于耕作方式对作物周年产量、氮素利用效率和温室气体排放的综合影响还不清楚，因此本研究以高产中筋小麦品种济麦22为试验材料，在山东省泰安市东平县农科所试验基地进行定位试验。2012～2013小麦生长季设置4种耕作方式:免耕(N)、深松+免耕(SN)、旋耕(R)、深松+旋耕(SR)，2013年玉米季在小麦季处理基础上裂区设置免耕(N)和深松+旋耕(SR)处理，共8个处理:玉米季免耕，小麦季免耕(N-N);玉米季免耕，小麦季旋耕(N-R);玉米季免耕，小麦季深松后免耕(N-SN);玉米季免耕，小麦季深松后旋耕(N-SR);玉米季深松后旋耕，小麦季免耕(SR-N);玉米季深松后旋耕，小麦季旋耕(SR-R);玉米季深松后旋耕，小麦季深松后免耕(SR-SN);玉米季深松后旋耕，小麦季深松后旋耕(SR-SR)。2013～2014年小麦和2014年玉米生长季的试验处理与上一年度一致，研究不同耕作方式对玉米-小麦周年土壤耕层特性、作物产量、氮素利用效率和温室气体排放的影响，以期为华北平原提高农田生产力和固碳减排提供理论依据和技术支撑。主要结果如下:
　　1.耕作方式对作物产量的影响在玉米-小麦一年两熟模式中，N-SR和SR-SR处理能够显著提高作物周年产量;两年度作物周年平均产量为N-SR＞SR-SR＞N-SN＞SR-SN＞SR-R＞N-R＞N-N＞SR-N;两年度玉米平均产量免耕处理比深松+旋耕处理高1.55％。
　　2.耕作方式对氮素吸收利用的影响在玉米-小麦一年两熟模式中，N-SR处理能够显著提高周年作物氮素吸收量、氮素收获指数和氮肥偏生产力;两年度小麦平均氮素吸收量为N-SR＞SR-R＞SR-SR＞N-N＞SR-SN＞N-R＞SR-N＞N-SN，氮素收获指数为N-SR＞SR-SN＞SR-SR＞N-SN＞SR-R＞N-R＞SR-N＞N-N，年平均氮肥偏生产力为N-SR＞SR-SR＞SR-SN＞N-R＞SR-R＞N-N＞N-SN＞SR-N;在玉米生长季，与深松+旋耕处理相比较，玉米季免耕出现均获得较高的氮素吸收量、氮素收获指数和氮肥偏生产力。
　　3.耕作方式对土壤物理特性的影响在玉米-小麦一年两熟模式中，N-N处理显著提高了0-10，10-20和20-30cm土层的土壤容重;与深松+旋耕处理相比较，免耕处理显著提高了小麦和玉米成熟期0-10，10-20和20-30cm土层的土壤容重;N-N处理显著提高了玉米-小麦周年的土壤含水量，SR-N次之，其他处理之间无显著差异。
　　4.耕作方式对土壤化学特性的影响不同土层之间，各处理玉米和小麦季成熟期土壤总氮含量0-10 cm上层高于10-20 cm上层;不同处理之间比较，N-N处理的玉米和小麦季成熟期0-10 cm土层土壤总氮含量最高，而N-SR处理的10-20 cm土层土壤总氮含量最高;从玉米季成熟期0-20cm土层土壤总氮含量平均值分析，玉米季深松+旋耕处理高于玉米季免耕处理，但是从小麦季成熟期0-20 cm土层土壤总氮含量平均值分析，玉米季深松+旋耕处理低于玉米季免耕处理;不同土层之间，各处理小麦季成熟期土壤NH4+-N含量0-10 cm土层高于10-20cm土层，而土壤NO3--N含量10-20 cm土层高于0-10 cm土层;从周年成熟期0-20 cm土层土壤NH4+-N含量平均值分析，玉米季深松+旋耕处理的10-20 cm土层上壤NH4+-N含量高于玉米季免耕处理，0-10 cm土层土壤NH4+-N含量低于玉米季免耕处理;从小麦季成熟期0-20 cm土层土壤NO3--N含量平均值分析，玉米季深松+旋耕处理高于玉米季免耕处理;不同土层之间，各处理玉米和小麦季成熟期土壤pH10-20 cm土层比0-10 cm土层高17.50％;从玉米季成熟期0-20 cm土层土壤pH平均值分析，玉米季深松+旋耕处理低于玉米季免耕处理;从小麦季成熟期0-20 cm土层土壤pH平均值分析，玉米季深松+旋耕处理的0-10 cm上层上壤pH低于玉米季免耕处理，而10-20 cm土层土壤pH高于玉米季免耕处理;不同处理之间比较，N-N处理的玉米和小麦季成熟期0-20 cm土层土壤pH最高。
　　5.耕作方式对土壤生物特性的影响不同土层之间，各处理小麦季成熟期土壤微生物量碳0-10 cm土层高于10-20 cm土层;不同处理之间比较，N-N处理的小麦季0-10 cm和10-20 cm土层土壤微生物量碳含量最高，N-N和N-R处理的小麦季0-10 cm和10-20 cm土层土壤微生物量氮含量高于其他处理;不同土层之间，各处理小麦季成熟期土壤有机碳0-10 cm土层高于10-20 cm土层;不同处理之间比较，N-N处理的小麦季0-10 cm和10-20 cm上层土壤有机碳含量最高;从玉米季和小麦季成熟期0-20 cm土层土壤有机碳平均值分析，玉米季免耕处理高于玉米季深松+旋耕处理;从小麦季开花期0-20 cm土层土壤硝化潜力平均值分析，玉米季免耕处理比玉米季深松+旋耕处理高18.78％;不同处理之间比较，N-N处理的小麦季开花期0-20 cm土层土壤硝化潜力最高，N-SR处理最低;从小麦季开花期0-20 cm土层土壤反硝化潜力平均值分析，玉米季深松+旋耕处理比玉米季免耕处理高4.67％;不同处理之间比较，N-R处理的小麦季开花期0-20 cm土层土壤反硝化潜力最高，SR-SR处理最低;
　　6.耕作方式对温室气体排放的影响在玉米-小麦一年两熟模式中，耕作方式对第一周年N2O排放有显著影响，对第二周年N2O排放无显著差异(P＞0.05);从两年N2O排放平均值分析，玉米季深松+旋耕处理显著高于玉米季免耕处理;不同处理之间比较，SR-SR处理N2O排放量最高，N-N处理N2O排放量最低;耕作方式对小麦季、玉米季和周年的CH4排放无显著差异(P＞0.05）;从两年CH4排放平均值分析，玉米季深松+旋耕处理高于玉米季免耕处理;玉米季深松+旋耕处理的单位面积和单位产量的GWP高于玉米季免耕处理;不同处理之间比较，SR-SR处理的单位面积和单位产量的GWP最高，N-N处理单位面积和单位产量的GWP最低。

目录

声明

摘要

Abstract

CONTENTS

Abbreviations

CHAPTER Ⅰ General introduction

1．1 The importance of wheat production

1．2 The importance of corn production

1．3 Cropping system

1．4 Tillage and its effect on agricultural soils

1．4．1 Effect of tillage on bulk density

1．4．2 Soil organic carbon

1．4．3 Biological effect of tillage on soil

1．5 Crop productivity and tillage practices

1．6 Global warming

1．7 The component of greenhouse gas emission in agricultural soils

1．7．1 CO2

1．7．2 N2O

1．7．3 CH4

1．8 Objectives

CHAPTER Ⅱ The effects of tillage on crop yield and yield components

2．1 Introduction

2．2 Materials and methods

2．2．1 Experimental site

2．2．2 Experimental design and management

2．2．3 Plant sampling and determinations

2．2．4 Data analysis

2．3 Results

2．3．1 Wheat yield and yield components

2．3．2 Wheat aboveground biomass

2．3．3 Leaf area index at flowering stage wheat

2．3．4 Corn yield and yield components

2．3．5 Leafarea index at flowering stage of corn

2．3．6 Annual yield

2．4 Discussion

2．5 Conclusion

CHAPTER Ⅲ Nitrogen use efficiency in a wheat-corn cropping system

3．1 Introduction

3．2 Materials and methods

3．3 Results

3．3．1 Tillage effects on nitrogen uptake and use efficiency in wheat

3．3．2 The tillage effects on nitrogen uptake and use efficiency in corn

3．3．3 Annual effects of tillage on nitrogen uptake and use efficiency

3．4 Discussion

3．5 Conclusion

CHAPTER Ⅳ Soil Characteristics

4．1 Introduction

4．2 Materials and methods

4．2．1 Soil sampling

4．2．2 Soil Bulk density

4．2．3 Soil nitrate (NO3--N) and ammonium (NH4+-N)

4．2．4 Soil pH

4．2．5 Measurements of microbial biomass C and N

4．2．6 Soil organic carbon (SOC)

4．2．7 Soil total nitrogen (TN)

4．2．8 Soil Denitrification capacity

4．2．9 Soil nitrification potential

4．3 Results

4．3．1 Impact of tillage on soil bulk density in wheat growth period

4．3．2 Impact of tillage on soil bulk density in corn growth period

4．3．3 Impact of tillage on water holding capacity at the corn maturity stage

4．3．4 Soil moisture

4．3．5 Impact of tillage practices on total N content of soil in wheat

4．3．6 Impact of tillage practices on total N content of soil in corn

4．3．7 Microbial biomass carbon content of soil during wheat growing season

4．3．8 Soil microbial biomass N content during wheat growing season

4．3．9 Soil organic carbon content at maturity stage of wheat

4．3．10 Impact of tillage practices on ratio of C／N at maturity stage of wheat

4．3．11 Soil organic carbon content of soil at maturity stage of corn

4．3．12 The soil concentration of ammonium during wheat growing season

4．3．13 Soil concentration of nitrate during wheat growing season

4．3．14 Soil nitrification capacity

4．3．15 Soil denitrification capacity

4．3．16 Soil pH at wheat maturity

4．3．17 Soil pH at corn maturity

4．4 Discussion

4．5 Conclusion

CHAPTER Ⅴ Whole year gas emissions in corn-wheat cropping system

5．1 Introduction

5．2 Materials and methods

5．2．1 Gas sampling and measurement

5．2．2 GWP of CH4 and N2O

5．3 Results

5．3．1 Annual N2O fluxes in corn-wheat cropping

5．3．2 Annual CH4 fluxes and emission in corn-wheat cropping

5．3．3 Area-scaled GWP and yield-scaled GWP

5．4 Discussion

5．5 Conclusion

CHAPTER Ⅵ Conclusion and suggestion

6．1 Conclusion

6．2 Suggestions

REFERENCES

ACKNOWLEDGEMENTS

AUTHOR’S BIOGRAPHY HOJATOLLAH LATIFMANESH