黄淮海平原保护性耕作夏玉米田的碳水高效利用研究

摘要

本试验于2005-2014年夏玉米生育期间，在黄淮海平原山东农业大学农学试验站水分池和长期定位的保护性耕作试验田内分别进行。从耕作措施（秸秆还田）、秸秆覆盖（株型和密度）的碳排放差异、水分利用效率(WUE)、以及夏玉米的碳吸收和碳汇等方面综合对比研究了不同年限间农田的碳水高效利用，以期为节水低碳目标和农业可持续发展提供理论依据。主要研究结果如下:
　　1保护性耕作夏玉米田的碳吸收与碳汇效应
　　耕作措施和秸秆还田均显著影响夏玉米的碳吸收和碳汇量，且2011-2014年的碳吸收量均显示为秸秆还田深松处理最高，无秸秆还田常规耕作处理最低;碳汇量的结果也表现为秸秆还田深松处理最高，无秸秆还田常规耕作处理最低。可见，秸秆还田深松处理不仅吸收了大量的碳，而且能将更多的碳汇集于籽粒中。
　　不同耕作方式对土壤有机碳的积累效果不同。2011-2012年间少免耕农田土壤有机碳呈急剧增长趋势;然而，2013-2014年间则表现为急剧下降趋势。但是，秸秆还田条件下保护性耕作对土壤有机碳的积累幅度高于无秸秆还田，且变异性也明显降低。因此，保护性耕作与秸秆还田相结合才能收到土壤有机碳快速积累的效果。
　　2保护性耕作夏玉米田的土壤呼吸与碳源效应
　　土壤耕作显著影响土壤CO2-C排放。秸秆还田常规耕作处理土壤CO2-C排放率比秸秆还田免耕处理高5.88％，且白天的排放率大于夜间。
　　不同耕作措施和秸秆还田条件下，从夏玉米播种期到开花期，土壤CO2-C排放率呈增加趋势，至开花期达最大值，之后呈下降趋势。与传统耕作相比，2011和2012年试验期间，免耕处理土壤CO2-C排放率分别降低了10.0％和12.5％，深松处理分别降低了5.0％和4.0％。无论哪种耕作措施，添加秸秆均可显著增加土壤CO2-C排放率。与无秸秆还田处理相比，2011年试验期间，免耕和常规耕作处理中的CO2-C排放率分别显著增加了20.0％和13.6％，而2012年则分别为26.3％和25.0％。2011年和2012年夏季玉米生长期间，常规耕作农田土壤CO2-C排放率分别为免耕农田的1.14和1.09倍。
　　室内模拟结果显示，添加秸秆培养后显著增加了土壤有机碳含量。无秸秆粉末添加时相对湿度为55％的处理显著高于相对湿度65％和75％的处理，相对湿度65％和75％的处理间差异不显著;添加秸秆粉末后则随相对湿度的增加土壤CO2-C累积释放量增加。无论添加秸秆粉末与否，培养温度为25℃时，土壤CO2-C累积释放量最低;培养温度为35℃的处理土壤CO2-C累积释放量高于培养温度30℃处理，但差异不显著。
　　密度对土壤呼吸没有显著影响，但秸秆覆盖显著降低了土壤呼吸。因此，秸秆覆盖可以降低夏玉米生育期间土壤CO2排放通量。和不覆盖处理相比，秸秆覆盖后显著减少了单位籽粒产量向大气排放CO2的数量。2012和2013年夏玉米试验期间，秸秆覆盖处理土壤呼吸速率和土壤CO2排放通量均低于不覆盖处理。2012年，高中低三密度处理覆盖后分别较不覆盖处理降低了41.78％、20.56％和34.97％;2013年，则分别降低了14.41％、10.99％、22.31％。可见，和秸秆还田相比，秸秆覆盖能有效抑制土壤CO2的排放。
　　3秸秆覆盖下株型对夏玉米产量和水分利用效率的影响
　　秸秆覆盖影响了夏玉米前期生长，但促进了中后期生长，导致覆盖与不覆盖处理间夏玉米的叶面积指数(LAI)没有显著差异。和不覆盖处理相比，秸秆覆盖均提高了平展型品种丹玉86和紧凑型品种登海661的光合速率。随秸秆覆盖量增加，夏玉米地上部干物质积累量逐渐增加，但不同株型间干物质分配规律不同:秸秆覆盖后，丹玉86同时增加了穗和叶的干重，而登海661则主要增加了穗的重量。和不覆盖处理相比，秸秆覆盖量为0.6和1.2 kg/m2后均显著增加了夏玉米籽粒产量。2011年，登海661的籽粒产量显著高于丹玉86，增产的主要原因在于穗数和穗行数显著增加。
　　月玉86和登海661在相同覆盖条件下的总蒸散量没有显著差异。但是，秸秆覆盖后显著影响了夏玉米穗位叶的气孔导度。和不覆盖处理相比，丹玉86和登海661在秸秆覆盖量为0.6和1.2 kg/m2后穗位叶的气孔导度均显著降低。
　　4秸秆覆盖下密度对夏玉米产量和水分利用效率的影响
　　中密度条件下，秸秆覆盖可提高夏玉米穗位叶处的光合有效辐射(PAR)截获率。无秸秆覆盖条件下，夏玉米茎叶重随密度降低而减小;秸秆覆盖条件下，中密度处理的茎叶重最高。秸秆覆盖对各密度的穗重没有显著影响。秸秆覆盖对高密度夏玉米的籽粒产量没有显著影响，但对中低密度的籽粒产量影响显著，且主要影响了产量构成因素中的千粒重。秸秆覆盖显著提高了夏玉米的WUE，且对中密度处理WUE提高幅度最大。
　　52005-2014长期保护性耕作农田土壤碳储量变化分析
　　在2005-2014年的十年间，不同年份不同耕作处理和有无秸秆还田处理间土壤有机碳储量呈明显的动态变化，秸秆还田各处理的土壤有机碳储量均显著高于无秸秆还田处理;各保护性耕作措施的土壤有机碳储量均显著高于常规耕作。各处理固碳潜力由高到低依次为:免耕秸秆还田(PZ)＞深松秸秆还田(PS)＞常规耕作秸秆还田(PC)＞免耕无秸秆还田(AZ)＞深松无秸秆还田(AS)＞常规耕作(AC)，秸秆还田各处理的固碳潜力均显著高于无秸秆还田处理，各保护性耕作措施的固碳潜力也均显著高于常规耕作，其中PC、AZ、PZ、AS和PS保护性耕作的固碳潜力比对照AC分别高出77.18％、74.90％、87.42％、41.06％和82.72％，说明保护性耕作措施能提高土壤的固碳潜力。结果表明，保护性耕作和秸秆还田相结合更有利于提高土壤有机碳储量和固碳潜力。
　　综上所述，与秸秆还田或秸秆覆盖相结合的保护性耕作技术可提高冬小麦和夏玉米田的碳水利用效率，研究结果可为节水高产低碳栽培技术提供理论基础和技术支撑。

目录

声明

英文缩略符号及中英文对照表

摘要

1 引言

1．1 目的意义

1．2 保护性耕作

1．3 秸秆还田

1．4 农田固碳潜力

1．5 农田生态系统土壤呼吸

1．6 农田耗水

1．7 长期定位试验的优势

2 材料与方法

2．1 试验地点

2．2 保护性耕作作业程序

2．3 试验设计

2．4 测定项目及方法

2．4．1 高效碳固定项目

2．4．2 碳排放项目

2．4．3 水高效利用项目

2．5 数据处理及统计分析

2．6 技术路线及可行性分析

3 结果与分析

3．1 秸秆还田与不同耕作措施农田的碳高效利用(2011-2014)

3．1．1 秸秆还田与不同耕作措施夏玉米田的碳吸收与碳汇效应

3．1．2 秸秆还田与不同耕作措施夏玉米田的土壤呼吸与碳源效应

3．2 秸秆覆盖下株型对夏玉米农田的碳水高效利用的影响

3．2．1 秸秆覆盖下株型对夏玉米籽粒产量的影响

3．2．2 秸秆覆盖下株型对夏玉米叶面积指数(LAI)的影响

3．2．3 秸秆覆盖下株型对夏玉米光合速率的影响

3．2．4 秸秆覆盖下株型对夏玉米干物质质量组成的影响

3．2．5 秸秆覆盖下株型对夏玉米不同生育期土壤水分含量的影响

3．2．6 秸秆覆盖下株型对夏玉米田蒸散量的影响

3．2．7 秸秆覆盖下株型对夏玉米气孔导度的影响

3．3 秸秆覆盖下密度对夏玉米农田碳水高效利用的影响

3．3．1 秸秆覆盖下密度对夏玉米籽粒产量的影响

3．3．2 秸秆覆盖下密度对夏玉米田土壤呼吸速率的影响

3．3．3 秸秆覆盖下密度对夏玉米整个生育期CO2-C排放通量的影响

3．3．4 秸秆覆盖下密度对夏玉米田土壤呼吸碳排放强度：呼吸量／籽粒产量的影响

3．3．5 秸秆覆盖下密度对夏玉米PAR截获率的影响

3．3．6 秸秆覆盖下密度对夏玉米干物质积累量的影响

3．3．7 秸秆覆盖下密度对夏玉米田生育期降水量的影响

3．3．8 秸秆覆盖下密度对夏玉米生育期的农田蒸散量的影响

3．3．9 秸秆覆盖下密度对夏玉米生育期的农田耗水强度的影响

3．3．10 秸秆覆盖下密度对夏玉米水分利用效率的影响

3．4 2005-2014年长期保护性耕作农田土壤碳储量变化分析(表土20cm)

3．4．1 2005-2014年长期不同耕作方式对农田土壤有机碳储量的影响

3．4．2 2005-2014年秸秆还田对农田土壤有机碳储量的影响

3．4．3 2005-2014年连续10年长期保护性耕作农田土壤有机碳变幅

3．4．4 2005-2014年连续10年保护性耕作措施的固碳能力分析

3．4．5 环境因素对不同保护性耕作方式土壤碳储量的影响

3．5 水热碳因子对土壤呼吸的影响

3．5．1 土壤呼吸速率受水热碳因子的影响

3．5．2 不同水热碳条件下室内培养30d累积CO2-C排放

4 讨论

4．1 保护性耕作农田作物籽粒产量变化

4．2 保护性耕作农田作物固碳

4．3 保护性耕作农田土壤呼吸

4．4 保护性耕作农田水高效利用

4．5 水热碳气候因子与保护性耕作田的碳储量和土壤呼吸

4．6 保护性耕作农田碳储量

4．7 保护性耕作农田土壤呼吸转化率

5 结论

5．1 保护性耕作籽粒产量与碳转化效率

5．2 保护性耕作农田土壤呼吸

5．3 覆盖农田水高效利用

5．4 保护性耕作农田碳储量和土壤呼吸的气候因子响应

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文