黑土区秸秆覆盖耕作技术保墒机理及生态效益研究

摘要

松嫩平原位于黑龙江省的西南部，土质肥沃，气候温和，主要盛产玉米、大豆、小麦、亚麻等作物，是重要的商品粮生产基地。由于该地区位于中纬度地区，温带大陆性季风气候，该地区的种植主要依靠雨水给养。近些年来，由于生态环境的日益恶化，地下水位下降，年内降水分配不均匀，导致该地区在春季播种期极易出现春旱的现象。秸秆覆盖技术作为一种较为高效的农田栽培模式，由于其具有蓄水保墒，改善农田土壤环境的理化性质以及土壤的水热效应，在国内外的农业生产中得到了大量的探究与验证。我国对于秸秆覆盖的种植模式也进行了相关的研究，大多数试验是针对于西北干旱地区，解决了区域性的农业水土资源高效合理利用问题，但是，这些研究限于作物品种的差异和植物生长区的气候差异，相同的覆盖措施会有不同的作用效果，因此，寻求适合于北方松嫩平原黑土地区的覆盖栽培模式，合理利用黑土资源，提高土壤水分利用效率，提高粮食产量是亟需解决的问题。
　　本文以松嫩平原腹地的哈尔滨香坊农场为试验地点，选用适宜北方地区生长的玉米“东农254”作为试验品种，分别设置了对照组、裸土留茬、条带留茬、碎杆覆盖和整杆覆盖五种不同的覆盖处理模式，探讨了不同处理方式以及秸秆覆盖量的差异对于该地区的玉米土壤水热状况和玉米植株产量的影响。通过分析农田生态环境指标的差异、植株长势的异同以及土壤水分利用效率的对比，并且采用农田SPAC土壤水分传输模型对不同覆盖条件下土壤水分的运移状况进行了模拟，分析结果对于提高松嫩平原黑土地区的水土资源利用率和发展高效的栽培种植模式提供实践指导意义。主要成果如下：
　　(1)在5种不同覆盖处理条件下，土壤温度整体会随着环境温度的升降而发生不同幅度的波动。由于对照组无秸秆覆盖，因此该处理条件下的土壤温度变幅较大，土壤温度的变化范围为13.9～28.1℃，随着秸秆覆盖量的增加，裸土留茬处理区域的土壤温度的变化范围为15.2～26.1℃，而碎杆覆盖区域的土壤温度变化范围则为15.6～25.3℃，体现为土壤温度随着覆盖量的增加而变幅降低，同时，秸秆覆盖区域的土壤温度在植株生长各生育期内土壤温度处于一个相对较高的水平。对于土壤中的含水率，在0-30cm土层之间的变化程度最为明显，在玉米植株生长过程中，土壤含水率整体体现出先降低后增加的趋势，由于秸秆的存在抑制了无效水的蒸发，因此，在不同生育时期内，秸秆覆盖条件下的土壤含水率高于对照组。在7月中旬，玉米处于生长最旺盛的时期，此时裸土留茬处理条件下的土壤含水率为24.3％，带留茬处理条件下的土壤含水率为23.1％，碎杆覆盖和整杆覆盖处理条件下的含水率分别为25.7％和25.9％，分别相对于对照组提升了1.6％、0.4％、3.0％和3.2％，随着秸秆覆盖量的增加，对于土壤的保水效果越优越。
　　(2)从作物的生长发育进程来看，首先，秸秆的覆盖影响了作物幼苗的萌发，由于水分和热量的综合效应影响，在5种不同的覆盖处理条件下，条带留茬和整杆覆盖处理两种处理条件下的出苗状况要弱于其他三种处理情况。而对于植株的个体生长长势、叶面积指数、茎粗和根系密度等植株性状进行衡量可知，对照组的植株株高为261.2cm，裸土留茬、条带留茬、碎杆覆盖和整杆覆盖处理条件下的植株株高分别为267.3cm、259.4cm、267.7cm和258.7cm，其中覆盖条件中的碎杆覆盖和裸土留茬处理条件的玉米株高优势较为明显。对于茎粗、叶面积植株体现出同样的变化规律。分析植株根系密度以及根系的分布状况可知，植株的根系主要分布于土壤表层的10-20cm之间，水平方向12.5-25cm范围之内，该区域的根系的分布律达到90％以上，同时，随着生育期的进行，植株的根系不断向下延伸，随着秸秆覆盖量的增加，在不同土层处，植株的根系密度有了一定程度的增加，表明覆盖使得植株的地下和地上部分都体现出较强的生长优势。
　　(3)在玉米种子的播种前和秋收后，土壤中的养分会出现不同程度的变化，其中，土壤的容重在植株生育的末期要低于播种前的状况，原因是植株的生长过程消耗了土壤中的大量的有机和无机物质。而在不同覆盖处理条件下，土壤的容重差异也存在着一定的差异，在4种覆盖处理条件中，碎杆覆盖和裸土留茬两种条件下，土壤的干容重变化差异较大，说明这两种土壤环境较为适合植株的生长发育，对于土壤养分的运输能力较强。另外，在全氮、速效磷、速效钾的吸收过程中，随着秸秆覆盖量的增加，元素的消耗量逐渐的增大，植株对元素的吸收能力越强。
　　(4)收集不同试验地块的玉米果实，统计其玉米穗部性状中的穗长、穗粗、秃顶长、行粒数、穗粒数以及百粒重等特性指标，进而求算每公顷面积的玉米产量，其中对照组的经济产量为9131.3kg·hm2，而裸土留茬、条带留茬、碎杆覆盖和整杆覆盖处理条件下的作物经济产量分别为10126.52kg·hm2、10010.94kg·hm2、10416.28kg·hm2和9383.34kg·hm2，分别相对于对照组提升了10.89％、9.62％、14.07％和2.76％。在研究玉米穗部性状中影响产量的重要因素可知，行粒数与产量的相关关系最为密切，二者的相关系数为0.8845。另外，根据植株的干物质积累推算出不同覆盖处理条件下玉米植株地上部分和地下部分的相对生长率和净同化率，经对比可知，在植株生育的各个时期内，植株地上部分相对生长率要高于地下部分的相对生长速率，同时覆盖条件的植株生长状况要优于对照组。而在经济效益的角度来分析不同覆盖处理条件的差异性效果可知，对照样地的粮食纯收入为9396.83元，裸土留茬、条带留茬、碎杆覆盖和整杆覆盖处理条件的纯收益分别为10811.93元、10615元、11217.05元和9532.34元，其中，裸土留茬和碎杆覆盖处理条件的产投比相对较高，经济效益显著。从节水效益的角度分析，在4中秸秆覆盖处理条件下，同等含水量增产量分别为1312.0kg、1209.2kg、1720.3kg和852.57kg，节水效益分别为138.24元、127.26元、172.56元和27.36元，从经济效益的角度来看，碎杆覆盖处理条件为最适宜该地区推广的栽培生产模式。
　　(5)通过SPAC水分运移传输模型，利用MATLAB语言对该模型进行了运行求解，以三种不同覆盖条件作为不同的边界条件，模拟降雨条件下覆盖条件下土壤水分运移过程，并将模拟结果与实际的测量值进行了对比分析，在不同覆盖处理条件下，实测值于模拟值之间的误差均控制在10％以内，模拟精度结果符合规定的允许的误差范围之内。结果可知，该模型较适用于松嫩平原黑土地区的土壤水分运移过程模拟，并且可以进一步的预测土壤的墒情。
　　研究结果对不同覆盖耕作模式在黑龙江省松嫩平原的实际应用提供理论基础。结合不同的覆盖条件建立了二维土壤水分运移模型，用以模拟降雨过后，土壤田间水分动态变化趋势。结合大田试验测得的数据进行分析，为该地区的农业水土资源高效、节能及可持续发展提供理论支撑，为寻求适宜北方干旱地区的经济农业生产模式打下坚实基础。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究目的

1．2 研究意义

1．3 秸秆覆盖还田技术研究概况

1．3．1 秸秆覆盖技术国内外研究进展

1．3．2 秸秆覆盖对农田小气候影响

1．3．3 秸秆覆盖对土壤供水能力的影响

1．3．4 秸秆覆盖对土壤环境状况的影响

1．3．5 秸秆覆盖对作物生长和产量的影响

1．4 秸秆覆盖存在韵问题

1．4．1 秸秆覆盖量问题

1．4．2 秸秆覆盖“保水效应”问题

1．4．3 秸秆覆盖仍需解决的问题

2 试验材料与方法

2．1 试验设计

2．1．1 试验区概况

2．1．2 试验布置

2．1．3 样品采集

2．2 研究方法

2．2．1 土壤温度测定

2．2．2 土壤水分测定

2．2．3 土壤离重测定

2．2．4 土壤养分的测定

2．2．5 植株长势测定

2．2．6 植株根密度的测定

2．2．7 植株玉米产量测定

2．2．8 植株干物质积累量测定

2．2．9 植株相对生长率和净生长率的测定

2．3 研究内容与技术路线图

2．3．1 研究内容

2．3．2 技术路线图

2．4 数据处理与统计分析

3 秸秆覆盖对于土壤水热效应及蒸发作用的影响

3．1 秸秆覆盖区气象条件

3．1．1 秸秆覆盖区降水情况

3．1．2 秸秆覆盖区大气温度和温度变化

3．2 秸秆覆盖对土壤温度的影响

3．2．1 全生育期不同土层地温变化规律

3．2．2 不同生育期的地温变化规律

3．2．3 不同生育期地温的日变化规律

3．3 秸秆覆盖对土壤含水量的影响

3．3．1 全生育期不同土层含水率变化状况

3．3．2 全生育期土壤含水率变异状况

3．4 秸秆覆盖对于农田水分利用状况的影响

3．4．1 秸秆覆盖对玉米耗水量的影响

3．4．2 秸秆覆盖对于土壤储水量的影响

3．5 秸秆覆盖对于土壤蒸发及植株蒸腾强度的影响

3．5．1 秸秆覆盖对土壤蒸发强度的影响

3．5．2 秸秆覆盖对植株蒸腾强度的影响

3．6 本章小结

4 秸秆覆盖对旱作玉米生长性状及土壤理化性质的影响

4．1 秸秆覆盖对于玉米生长发育及农艺性状的影响

4．1．1 秸秆覆盖对玉米生育进程的影响

4．1．2 秸秆覆盖对玉米株高的影响

4．1．3 秸秆覆盖对玉米茎粗的影响

4．1．4 秸秆覆盖对玉米叶面积指数的影响

4．1．5 秸秆覆盖对玉米根系状况的影响

4．2 秸秆覆盖对于土壤理化性质的影响

4．2．1 秸秆覆盖对土壤容重的影响

4．2．2 秸秆覆盖对土壤机械组成的影响

4．2．3 秸秆覆盖处理对于土壤保肥效果的影响

4．3 本章小结

5 秸秆覆盖对玉米产量及经济效益的影响

5．1 秸秆覆盖对玉米产量和穗部性状的影响

5．1．1 秸秆覆盖对于玉米产量和水分利用效率的影响

5．1．2 秸秆覆盖对于玉米单叶水分利用效率的影响

5．1．3 秸秆覆盖对于玉米穗部性状的影响

5．2 秸秆覆盖对玉米生育规律的影响

5．2．1 秸秆覆盖对于作物个体干物积累的影响

5．2．2 秸秆覆盖对于作物相对生长率(RGR)和净同化率(NAR)的分析

5．3 效益分析

5．3．1 经济效益

5．3．2 节水效益

5．4 本章小结

6 覆盖条件下SPAC系统二维水分传输特征与数值模拟

6．1 SPAC系统二维土壤水分传输特性

6．2 模型建立

6．2．1 物理过程描述

6．2．2 数学模拟模型

6．3 模型求解

6．3．1 定解条件确定

6．3．2 有限差分求解模型

6．3．3 SPAc水分传输模型的模拟程序框架

6．4 覆盖条件下SPAC系统土壤水分传输模型验证

6．5 本章小结

7 绪论与讨论

7．1 秸秆覆盖对土壤水热的保蓄作用

7．2 秸秆覆盖对土壤理化性状的影响

7．3 秸秆覆盖对作物生长与产量的影响

7．4 SPAC系统水分传输模拟

7．5 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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