冬种绿肥和稻草还田对水稻生长、土壤性质及周年温室气体排放影响的研究

摘要

农作物秸秆还田利用是农田生态系统养分循环中的一个重要组成部分。秸秆的还田利用不但可以解决秸秆焚烧带来的环境污染问题，同时还可促进农村养分资源的循环利用和农业可持续发展。利用农田空闲期种植绿肥还田也是保持和提高土壤质量及其可持续利用的有效农业措施之一。本研究以江汉平原（湖北洪湖）单季稻田为研究对象，通过3年田间定位试验，研究了不同冬闲期管理方式对稻田土壤性质、水稻产量、品质及周年温室气体排放的影响。试验处理包括不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、冬闲期稻草原位焚烧还田(NPK+RSB)、冬闲期稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)、冬闲期稻草移除田间种植绿肥(NPK+GM)和冬闲期稻草条带状全量覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)6个处理，得出的主要结论如下:
　　1)在水稻季施相同化肥的情况下，与单施化肥(NPK)相比，冬闲期稻草原位焚烧还田(NPK+RSB)能提高土壤pH值和速效钾含量，但对土壤有机碳、全氮、碱解氮和速效磷含量无影响。冬闲期稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)、种植绿肥还田(NPK+GM)和稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)模式均能显著提高土壤有机质和全氮含量，并有增加土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量的趋势。与单施化肥(NPK)相比，几种冬闲期管理方式有降低耕层土壤容重和提高孔隙度的影响趋势，3年里差异未达显著性水平。
　　2)与单施化肥(NPK)相比，在施用相同化肥基础上冬闲期稻草原位焚烧还田(NPK+RSB)、稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)、种植绿肥还田(NPK+GM)和稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)4种模式3年的土壤酶（过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶）活性均有显著增加或有增加趋势。冬闲期稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)、种植绿肥还田(NPK+GM)和稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)模式能显著提高土壤活性有机碳含量和土壤碳库管理指数。
　　3)冬闲期种植绿肥以及稻草全量还田配合种植绿肥能增加水稻对养分的吸收，提高化肥养分农学效率。在水稻季施相同化肥的情况下不同施肥处理间比较，冬闲期稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)水稻对氮、磷和钾养分吸收量均是最高，其次为种植绿肥还田(NPK+GM)和稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)模式，而冬闲期稻草原位焚烧还田(NPK+RSB)仅增加水稻对钾的吸收，对氮、磷吸收无显著影响。冬闲期种植绿肥还田(NPK+GM)和稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)处理较NPK处理显著提高化肥养分农学效率。
　　4)冬闲期种植绿肥及其配合稻草还田显著增加稻谷产量，有改善稻米品质的趋势。冬闲期种植绿肥还田(NPK+GM)与稻草条带状全量覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)处理稻谷产量近似，均显著高于单施化肥(NPK)处理，3年平均增加9.1％和8.7％，其主要通过提高有效穗数增加总产量。冬闲期稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)和稻草原位焚烧还田(NPK+RSB)稻谷产量较单施化肥(NPK)处理略有增加趋势，3年里差异未达显著性水平。种植绿肥还田可一定程度上提高糙米率、降低峰值黏度、热浆粘度、冷浆粘度和崩解值，具有提高稻米加工品质和食味品质的趋势，但对稻米外观品质影响不大。稻草全量还田及其配合绿肥种植措施水稻稻米垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量略有增加。
　　5)两个年度（2011-2012和2012-2013）的测定结果表明，稻田周年平均CH4和N2O排放量分别为90.60-394.07kg C ha-1和0.58-1.38kgN ha-1。稻田翻压期(PBRT)、水稻生长期（PR）和冬闲期(PWF)占全年CH4排放的比例分别为6.84％-19.85％、70.73％-83.39％和3.72％-17.99％，占全年N2O排放的比例分别为13.41％-21.87％、31.53％-51.04％和29.65％-55.06％。与单施化肥(NPK)处理相比，冬闲期稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)、种植绿肥还田(NPK+GM)以及稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)均显著提高了CH4年排放量，平均增幅分别为1.5倍、2.6倍和2.4倍。冬闲期稻草原位焚烧还田(NPK+RSB)、稻草全量覆盖还田(NPK+RSM)、种植绿肥还田(NPK+GM)和稻草全量条带状覆盖还田配合种植绿肥(NPK+RSM+GM)4种冬闲秸秆管理模式间的N2O年排放量差异不显著，均是显著高于单施化肥(NPK)处理。
　　6)不同处理下稻田净增温潜势（NGWP，kg CO2-eq ha-1y-1）大小顺序为NPK+RSM(6867)＞NPK+GM(4988)＞NPK+RSM+GM(4833)＞CK(1979)＞NPK+RSB(1644)＞NPK(1136)。不同处理下稻田温室气体排放强度(GHGI，kgkg-1y-1)大小顺序为NPK+RSM(0.77)＞NPK+GM(0.53)＞NPK+RSM+GM(0.52)＞CK(0.45)＞NPK+RSB(0.19)＞NPK(0.13)。相对于稻草全量还田(NPK+RSM)，在稻草全量还田基础上种植绿肥(NPK+RSM+GM)能降低稻田净增温潜势(NGWP)和温室气体排放强度(GHGI)。

目录

论文说明

声明

摘要

1 文献综述

1．1 绿肥、秸秆等有机物还田对土壤性质的影响

1．1．1 土壤物理性质

1．1．2 土壤化学性质

1．1．3 土壤生物学性质

1．2 绿肥、秸秆等有机物还田对农田温室气体排放的影响

1．2．1 绿肥、秸秆等有机物料参与温室气体排放的土壤过程

1．2．2 有机物诱导下温室气体排放的影响因素

1．2．3 绿肥、秸秆等有机物还田对温室气体排放的影响

1．3 绿肥、秸秆还田对作物生长、产量和品质的影响

2 研究背景、内容和技术路线

2．1 研究背景

2．2 研究内容

2．3 技术路线

3 绿肥、稻草及其配合还田对稻田土壤理化性状的影响

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验地概况

3．2．2 试验设计

3．2．3 土壤样品采集与分析

3．2．4 数据整理与分析

3．3 结果与分析

3．3．1 冬种绿肥及稻草还田对土壤物理性质的影响

3．3．2 冬种绿肥及稻草还田对土壤化学性质的影响

3．4 讨论

3．5 结论

4 绿肥、稻草及其配合还田对稻田土壤酶活性及有机碳库的影响

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验地概况

4．2．2 试验设计

4．2．3 土壤样品采集与分析

4．2．4 数据整理与分析

4．3 结果与分析

4．3．1 冬种绿肥及稻草还田对几种土壤酶活性的影响

4．3．2 冬种绿肥及稻草还田对土壤有机碳和活性有机碳含量的影响

4．3．3 冬种绿肥及稻草还田对土壤碳库管理指数的影响

4．3．4 土壤酶活性、碳库管理指数与土壤肥力因子的关系

4．4 讨论

4．5 结论

5 绿肥、稻草及其配合还田对水稻生长、产量及养分吸收利用的影响

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验地概况

5．2．2 试验设计

5．2．3 样品采集与测定方法

5．2．4 计算公式

5．2．5 数据整理与分析

5．3 结果与分析

5．3．1 冬种绿肥及稻草还田对水稻产量及其构成因素的影响

5．3．2 冬种绿肥及稻草还田对水稻生长发育动态的影响

5．3．3 冬种绿肥及稻草还田对水稻氮磷钾养分吸收的影响

5．3．4 冬种绿肥及稻草还田对水稻氮磷钾养分利用效率的影响

5．4 讨论

5．5 结论

6 绿肥、稻草及其配合还田对水稻主要品质性状及淀粉RVA谱特征的影响

6．1 前言

6．2 材料与方法

6．2．1 试验地概况

6．2．2 试验设计

6．2．3 样品采集与测定方法

6．2．4 数据整理与分析

6．3 结果与分析

6．3．1 对水稻稻米主要品质指标的影响

6．3．2 对水稻稻米RVA谱特征的影响

6．4 讨论

6．5 结论

7 绿肥、稻草及其配合还田对稻田周年温室气体排放及综合温室效应的影响

7．1 前言

7．2 材料与方法

7．2．1 试验地概况

7．2．2 试验设计

7．2．3 气体样品采集与分析

7．2．4 数据整理与分析

7．3 结果与分析

7．3．1 不同冬闲处理下稻田CH4排放通量的变化规律

7．3．2 不同冬闲处理下稻田N2O排放通量的变化规律

7．3．3 不同冬闲处理下稻田CH4排放总量的比较

7．3．4 不同冬闲处理下稻田N2O排放总量的比较

7．3．5 不同冬闲处理下稻田综合温室效应及其排放强度

7．4 讨论

7．4．1 绿肥及稻草还田对稻田CH4排放的影响

7．4．2 绿肥及稻草还田对稻田N2O排放的影响

7．4．3 绿肥及稻草还田对稻田综合温室效应的影响

7．5 结论

8 全文总结与展望

8．1 主要结论

8．2 研究课题创新点

8．3 问题与展望

参考文献

攻读博士学位期间撰写的论文

致谢