施肥、覆膜和耕作方式对半干旱黄土高原地区作物产量和土壤质量的影响

摘要

近几年，双垄沟全膜覆盖技术因其在半干旱区玉米种植中突出的增产效果，而被大面积推广。梯田因其本身对降雨显著的截留入渗作用而被选为双垄沟覆膜技术的主要推广对象。修筑梯田自然也就成了当前旱区农民一项非常重要的工作。双垄沟覆膜玉米的种植需要投入较大的资金和人力，并且加剧对土壤养分和土壤深层水分的消耗。所以为了探索新造梯田快速肥田的途径和解决双垄沟玉米投入多、深层耗水以及对土壤养分的过度消耗问题，我们进行以下两个实验。(1)2002年5月，一个坡耕田被改为梯田，然后休闲。2003年8月，四个施肥处理被确立：1)MNP:农家肥、氮肥和磷肥的配合施用；2)NP：只施用氮肥和磷肥；3)M：只施用农家肥；4)CK(对照)：不施用任何肥料。作物按照豌豆-春小麦-马铃薯的轮作顺序进行种植。(2)实验时间从2006年4月到2007年9月共计2年，以双垄沟技术体系为依托共设有三个处理：1)CK：播种时覆膜，每年收获时用手把残留的塑料膜移走，也就是传统的双垄沟栽培技术；2)T1：播种前一个月覆膜，每年收获时用手把塑料膜移走；3)T2：播种时覆膜，第一年收后不揭膜，留着下一年继续使用(T2).种植作物为玉米。
　　 在新造梯田整个实验期间，MNP播种前在0-100cm土层的平均含水量比NP高26.9mm，M比CK高12.8mm；有机肥的投入主要增加了土壤0-40cm土层的含水量。和对照相比，施肥加剧了作物对土壤100-200cm土层含水量的利用。MNP、M、CK和NP5个非生长季降雨贮存量的总和分别为291.8mm、269.7mm、217.9mm和207.7mm。实验期间，MNP处理作物产量和水分利用效率显著高于其他处理，其豌豆和春小麦的最高产量可以达到当地成熟梯田产量的70％，而马铃薯的产量可以达到90％。新造梯田中，有机肥的施用迅速提高了土壤碳氮的含量，单独施用化肥或不施肥无助于土壤碳氮的提高。MNP处理优化了土壤C/N和C/P比(C/N增加，C/P下降)，而NP处理使土壤的C/N比逐渐远离平衡点。MNP处理提高了土壤中速效养分的含量，从第三年开始其矿物氮和速效磷的含量显著高于其他处理。速效磷与矿物氮和N/P比(矿物氮/土壤全磷)在P＜0.0001水平上成显著正相关关系。而作物产量与土壤矿物氮成显著正相关关系。所以提高新造梯田土壤矿物氮的含量对新造梯田生产力的形成是个非常关键的因素。实验结果表明，只施用化肥短时间内作物产量还可以，但潜力有限，因而为了达到保水、肥田和持续高产的目的，应鼓励农民对新造梯田进行有机和无机肥的配合施用。
　　 在双垄沟覆膜的试验中我们发现，和CK相比T1提高了2006年和2007年播种时土壤(0-60cm土层)含水量和地温(10cm)；T2则提高了2007年播种时土壤含水量和地温。经过两个生长季后，和各处理和实验初始值相比，CK和T1显著增加了0-80cm土层的含水量，而T2显著增加了0-120cm土层的含水量；在140-200cm土层范围内，CK和T1的含水量显著的下降了，而T2的含水量没有显著变化。在非生长季(2006年9月末到2007年4月末)T2、T1和CK在0-200cm土层的降雨贮存量分别为59.7mm、34.0mm和18.2mm；T2在100-200cm土层的降雨贮存量比T1和CK分别高18.2mm和34.0mm。在2年的试验中，T2和CK的产量和水分利用效率没有显著差异。T2、T1和CK两年的产出投入比的平均值分别为：1.67∶1、1.40∶1和1.32∶1。2007年9月份收获时土壤有机碳和全氮的含量和2006年3月份的初始值相比，T1和CK都下降了，但是T2有机碳和全氮的含量略有增加。2007年播种时，T2和T1速效磷含量显著高于CK，而收获时T2速效磷的含量显著高于T1和CK。2007年收获时所有处理速效磷、土壤微生物碳和微生物氮的含量和2006年种前相比都显著增加了，而轻组有机碳和矿物氮的含量显著降低了。2007年一年的数据显示，土壤微生物碳与轻组有机碳和矿物氮之间成显著负相关关系，而与速效磷成正相关关系。和T1和CK相比，T2栽培方式有利于保持土壤水分，减少投入，增加了土壤有机碳和全氮含量，并且显著提高了土壤速效磷的含量。因而和传统双垄沟覆膜栽培方式相比，双垄沟免耕覆膜栽培方式有更大的发展潜力。
　　 总之，有机肥和无机肥的配合施用是新造梯田土壤肥力和生产力快速提升的有效的和最具潜力的途径；而双垄沟覆膜免耕技术可以较好的解决传统双垄沟覆膜技术投入多、深层耗水和土壤肥力降低的问题。

目录

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论文说明：图表目录

声明

第一章文献综述

1.1区域背景

1.2黄土高原半干旱区旱地农业研究

1.3黄土高原半干早区旱地农业研究面临的问题

1.3.1水土流失加剧

1.3.2双垄沟全膜覆盖技术在推广中存在的一些问题

1.4现阶段实现农业生态系统可持续发展的重要途径

1.4.1修筑梯田

1.4.2双垄沟覆膜技术的进一步改进

1.5研究内容与目标

第二章材料和方法

2.1试验区的自然条件

2.2材料和试验设计

2.3采样和测定

2.3.1新造梯田样地的采样和测定

2.3.2双垄沟覆膜玉米样地的采样和测定

2.4数据统计分析

第三章结果与分析

3.1施肥对新造梯田土壤水分、作物产量和土壤质量的影响

3.1.1试验期间的降雨分布情况和作物的发育期

3.1.2土壤水分、作物产量和水分利用效率

3.1.3土壤养分

3.2覆膜和耕作方式对玉米产量和土壤性质的影响

3.2.1土壤温度

3.2.2土壤水分

3.2.3出苗率、产量和水分利用效率

3.2.4经济效益

3.2.5土壤养分

第四章讨论

4.1施肥对新造梯田土壤水分、作物产量和土壤质量的影响

4.1.1土壤水分和作物产量

4.1.2土壤养分

4.2覆膜和耕作方式对玉米产量和土壤性质的影响

4.2.1土壤温度、水分和经济效益

4.2.2土壤养分

第五章主要结论

参考文献

攻读博士期间发表的文章

致谢

附录 缩写词表