旱作褐土覆盖耕作措施对土壤环境的影响及玉米生长的响应

摘要

山西省褐土耕地面积达286.1万hm2，占全省耕地面积的54.9％，对全省农业发展起着十分重要的作用。我国褐土大多数分布在半干旱和半湿润偏旱的雨养农业区域，干旱是旱作褐土农业可持续发展的主要限制因素，如何在水资源有限的条件下提高降水利用率和作物水分利用效率，已成为旱作农业研究的重要内容。覆盖耕作是干旱、半干旱和半湿润易旱区对土壤进行保护性管理的有效手段，通过采取少免耕、深松、辅之以覆盖措施，实现对旱地土壤环境因子水肥气热的调控，从而达到土壤环境质量的可持续良性循环，实现农作物高产、稳产的目的。
　　本论文以国家公益性行业（农业）科研专项(201203030-08-03)、“十二五”农村领域国家科技计划课题（2012BAD09B01-1）、农业部旱作节水农业重点开放实验室基金等项目为依托，基于2008-2014年在山西省寿阳县国家旱作农业科技攻关试验区进行的连续定点定位试验，通过渗水地膜与行间秸秆覆盖(SJ)、渗水地膜覆盖(S)、普通地膜与行间秸秆覆盖(PJ)、普通地膜覆盖(P)、秸秆覆盖(J)和传统平作为对照(CK)6种不同覆盖耕作措施下的系列试验数据的对比分析，研究了不同覆盖耕作措施条件下土植界面水、肥、气、热状况及其节水增产效应，主要取得以下成果:
　　1、不同覆盖耕作措施对农田土壤水分的影响
　　不同覆盖耕作措施的聚墒抑蒸效应各异，土壤水分的差异主要体现在0～60cm，随着深度的增加，土壤储水量的差异逐渐变小。PJ和P处理0～60cm、0～200cm土层的集雨保墒效果最好，其次为J处理，最后为SJ和S处理。PJ、P、J、SJ和S处理0～60cm土层6年平均贮水量较CK分别增加了12.71、9.78、8.03、3.43 mm和2.66 mm;0～200cm土层6年平均土壤贮水量较CK处理分别增加38.03、23.45、16.91、20.96 mm和15.17mm，分别提高了8.8％、5.5％、3.9％、4.9％和3.5％。不同覆盖处理土壤贮水量年际间变化较大。在不同降水年份，PJ、P处理均能显著提高春玉米全生育期土壤贮水量。
　　从对深层土壤水分含量的变化来看，覆膜和覆盖秸秆具有明显的提墒保墒效果，地膜覆盖和秸秆覆盖后，可促使深层水分向上移动，起到提水贮墒于土壤上层的作用，同时，覆盖保墒后使各层土壤含水量变动幅度缩小，呈相对稳定状态，在干旱时，可相对减缓干旱程度，而在水涝时，根区湿度也不太大，有利于稳产高产。
　　2、不同覆盖耕作措施对农田土壤温度的影响
　　不同覆盖耕作措施对地温的影响各异。渗水地膜和普通地膜的增温效应，秸秆覆盖的调温效应，即高温时具有“降温作用”，低温时具有“保温效应”。
　　模拟了不同覆盖耕作措施下土壤5cm处土壤温度在1日内随时间变化的关系，确定了不同覆盖耕作措施下不同深度土壤温度的日表征时刻，分析了地温最大日变幅随时间和土壤剖面的变化规律，发现不同处理剖面地温最大日变幅均随着深度的增加而递减，二者之间可以用指数方程式表示。
　　分析了地温季节变化特征。在春玉米全生育期内，S、SJ、P和PJ处理的“增温效应”和J处理的“调温效应”呈现出前期大、后期小的趋势，且随时间推移逐渐变小。
　　3、不同覆盖耕作措施对农田土壤养分的影响
　　不同覆盖耕作处理对耕层土壤全氮含量影响较大，对土壤全磷和全钾含量无显著影响。J处理明显提高了土壤有机质含量;SJ和PJ处理土壤有机质含量有所提高，S和P处理土壤有机质含量无明显变化。覆盖各处理可增加土壤耕层有效磷、缓效钾、碱解氮养分的含量。J处理增加土壤耕层速效钾含量，其余覆盖处理耕层速效钾含量有所降低。土壤酶的活性对土壤环境的变化反应敏感，各处理土壤脲酶、碱性磷酸酶酶、过氧化氢酶活性差异不尽一致。
　　不同降水年型，地表覆盖均能降低氮素在土壤中的累积，但其累积深度有所不同;干旱年份，地表覆盖处理增加0～100cm土层土壤硝态氮的累积，有效降低深层土壤硝态氮的累积;丰水年，地表覆盖处理增加了深层土壤中的硝态氮累积，甚至部分肥料氮已被淋洗到玉米根区以外。
　　4、不同覆盖耕作措施对春玉米生长发育、产量和水分利用效率的影响
　　不同地膜覆盖及组合处理均能使玉米生育期提前，总生育期缩短，但生殖阶段延长，有利于玉米籽粒固形物累积;同时，覆膜后因玉米生育前期地温升高，作物出苗较裸地提前，冠层发育迅速，LAI和干物质明显增加。秸秆覆盖处理各个生育期较对照均推迟，随着气温升高，拔节期后LAI和干物质及株高逐渐赶上并超过裸地。干物质变化趋势与LAI一致。
　　不同覆盖耕作处理具有显著的增产效果(p＜0.05)。覆盖与不覆盖间产量相差2.95～16.13 t/hm2，覆盖处理增产率达到5.29％～28.93％。不同覆盖各处理间玉米产量存在一定差异，其年平均产量由高到低依次为:SJ＞S＞PJ＞P＞J＞CK。不同覆盖耕作处理提高了春玉米的水分利用效率和降雨利用效率。不同降水年型，基本表现为S和SJ处理WUE和PUE最高，P和PJ处理次之，J处理最低。S和SJ处理纯收益最高，J处理次之， P和PJ处理最低。J、P、PJ、S、SJ处理6年平均节水效益较CK分别增加了52.76、157.76、183.30、230.60、252.19元/hm2。
　　合理将秸秆覆盖和地膜覆盖组合使用，可以有效克服各自缺点，对促进玉米生长发育和增产有明显效果。在本研究所有试验处理中渗水地膜与行间秸秆覆盖(SJ)处理增产幅度最大、水分利用效率最高、蓄水保水效果较好，渗水地膜覆盖(S)处理的各项指标要低于渗水地膜与行间秸秆覆盖(SJ)，但没有显著差异，且两者的纯效益和节水效益最高。秸秆覆盖(J)蓄水保水、增产、水分利用效率低于普通地膜覆盖与秸秆(PJ)、普通地膜覆盖(P)处理，但显著高于对照，且节约覆盖地膜投资和用工，纯效益好，还没有环境污染。综合以上研究结果，渗水地膜覆盖(S)、渗水地膜与行间秸秆覆盖(SJ)和秸秆覆盖(J)适合在生产中推广应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 国内外不同覆盖耕作研究进展

1．2．1 地膜覆盖

1．2．2 秸秆覆盖

1．3 覆盖耕作对农田生态环境的影响

1．3．1 对土壤水分状况的影响

1．3．2 对土壤温度状况的影响

1．3．3 对土壤肥力状况的影响

1．4 覆盖耕作对作物生长的影响

1．5 论文的主要研究内容和技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 试验条件

2．1．1 试验站概况

2．1．2 试验区气候条件

2．1．3 试验土壤

2．1．4 供试地膜

2．2 试验设计

2．3 测定项目与方法

2．4 数据分析方法

第三章 不同覆盖耕作措施的土壤水分动态特征

3．1 试验区降水特征分析

3．1．1 多年平均降水量及其年内年际分配特征

3．1．2 降水相对变率与变异系数

3．2 试验期间降水年型的划分

3．3 覆盖耕作措施对春玉米地土壤水分迁移转化的影响

3．3．1 对全生育期土壤表层含水率的影响

3．3．2 对各阶段全生育期土壤表层含水率的影响

3．3．3 对土壤水分分布的影响

3．4 不同降水年型覆盖耕作土壤水分动态变化特征

3．4．1 正常降水年型覆盖耕作土壤水分状况

3．4．2 干旱降水年型覆盖耕作土壤水分状况

3．4．3 丰水年型覆盖耕作土壤水分状况

3．4．4 不同降水年型土壤水分垂直分布分层

3．5 不同覆盖耕作措施的节水机理

3．6 小结

第四章 不同覆盖耕作措施的温度效应

4．1 不同覆盖措施下土壤温度变化特征

4．1．1 土壤温度日变化

4．1．2 地温最大日变幅

4．2 玉米生育前期不同土层地温变化

4．3 玉米生育期土壤温度的动态变化

4．4 不同覆盖耕作措施下田间温度变化规律解析

4．5 小结

第五章 不同覆盖耕作措施对土壤养分和酶的影响

5．1 不同覆盖耕作措施对耕层(0～40cm)土壤养分的影响

5．1．1 对耕层土壤全氮、全磷、全钾的影响

5．1．2 对耕层土壤有机质的影响

5．1．3 对耕层土壤速效养分的影响

5．2 不同覆盖耕作措施土壤速效养分和有机质的剖面分布

5．3 不同覆盖耕作措施对土壤酶的影响

5．3．1 脲酶

5．3．2 过氧化氢酶

5．3．3 磷酸酶

5．4 讨论

5．5 小结

第六章 不同覆盖耕作措施对土壤剖面硝态氮时空变化的影响

6．1 不同覆盖耕作措施对氮素吸收的影响

6．2 不同覆盖耕作措施土壤硝态氮年际变化特征

6．3 不同覆盖耕作措施土壤剖面硝态氮时空变化特征

6．3．1 干旱年份不同覆盖耕作措施土壤剖面硝态氮时空变化特征

6．3．2 丰水年份不同覆盖耕作措施土壤剖面硝态氮时空变化特征

6．4 不同覆盖耕作措施土壤硝态氮在0～300cm剖面的累积

6．5 讨论

6．6 小结

第七章 不同覆盖耕作措施对春玉米生产力的影响

7．1 对玉米生育进程的影响

7．2 对玉米叶面积指数的影响

7．3 对玉米株高的影响

7．4 对玉米干物质积累的影响

7．5 讨论

7．6 小结

第八章 不同覆盖耕作措施对春玉米水肥利用的效率和效益的影响

8．1 不同覆盖耕作措施对春玉米产量的影响

8．2 不同降水年型覆盖耕作措施对春玉米产量的影响

8．3 不同覆盖耕作措施对春玉米水分利用效率的影响

8．4 不同覆盖耕作措施对春玉米氮、磷、钾吸收分配特征的影响

8．4．1 不同生育时期氮素吸收特点

8．4．2 不同生育时期磷素吸收特点

8．4．3 不同生育时期钾素吸收特点

8．4．4 不同生育时期氮磷钾的吸收比例

8．4．5 植株地上部不同部位氮、磷、钾累积量

8．5 效益分析

8．5．1 经济效益

8．5．2 节水效益

8．6 讨论

8．7 小结

第九章 结论与展望

9．1 覆盖耕作对农田环境的影响

9．2 对玉米生长发育的影响

9．3 合理选择和应用不同覆盖耕作措施

9．4 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

攻读学位期间参与完成的部分相关科研项目

攻读学位期间获奖情况

攻读学位期间获专利情况