渭北旱塬麦田长期保护性耕作的土壤改良与固碳减排效应研究

摘要

位于黄土高原南部的渭北旱塬地区是重要的旱作粮食产区之一，水分利用效率低和地力瘠薄是当地粮食生产的主要限制因素。以多次翻耕-耙耱为代表的土壤管理技术、过量氮肥施用加剧了当地的水土流失、土壤退化及硝态氮淋溶等生态风险。有鉴于此，自 2007 年秋季开始，课题组在合阳县甘井镇西北农林科技大学旱作农业试验站建立了耕作、施肥、轮作等保护性农业生产方式的生产生态效应长期定位试验（至今已为期10年）。为了进一步探明施肥、耕作及轮耕对作物生产及生态效应的影响，本研究以连作冬小麦田为研究对象，选取了常规、低量和平衡施肥，免耕（NT）、深松（ST）及翻耕（PT）三种连续耕作，共3×3个施肥-轮耕模式(即常规施肥免耕[CN]、常规施肥深松[CS]、常规施肥翻耕[CP]，低量施肥免耕[LN]、低量施肥深松[LS]、低量施肥翻耕[LP]，平衡施肥免耕[RN]、平衡施肥深松[RS]、平衡施肥翻耕[RP])，外加平衡施肥的免耕/深松（NS）、深松/翻耕（SP）、翻耕/免耕（PN）三种轮耕，共计12个生产模式，研究了对连作冬小麦产量及水肥分利用效率、土壤理化性状及温室气体排放的影响，主要研究结果如下： 1、保护性耕作对渭北旱塬连作麦田产量和和水肥利用的影响 NS的10年平均产量、水分利用效率、降雨利用效率及肥料氮偏生产力分别为4514.9 kg·ha-1、14.3 kg·ha-1·mm-1、8.3 kg·ha-1·mm-1、30.1 kg·kg-1，分别较RP提高了15.3%、14.3%、8.3%、30.1%，SP、RS及PN依次降低，其中NS、SP、RS稳定性高、产量潜力大。各施肥水平的产量及水分/降雨利用效率从大到小为平衡施肥＞常规施肥＞低量施肥，肥料氮偏生产力表现为低量施肥＞平衡施肥＞常规施肥，平衡施肥具有最大的增产潜力。 2、保护性耕作对渭北旱塬连作麦田土壤物理性状的影响 （1）NT处理具有最高的休闲期蓄水量，丰水型和干旱型休闲期分别较PT增加了2.5%-6.4%、9.6%-16.5%，ST在干旱型休闲期的蓄水量较PT提高了4.9%-6.9%，NS的降雨蓄水效率（21.67%）高于其它连/轮耕模式。平衡施肥的蓄水量低于其它施肥水平，但降雨蓄水效率与其它施肥水平差异不显著。连/轮耕中的保护性耕作促进了播种期0-200 cm土层含水量的提高，关键生育时期平衡施肥及保护性耕作模式在60-140 cm土层的含水量波动较其它模式更剧烈。播种期、分蘖期土壤含水量、抽穗-灌浆期土壤水分消耗与作物产量显著正相关，播种-分蘖期土壤水分消耗与产量负相关。 （2）各模式0-80 cm土层的容重在1.04-1.68g·cm-3范围内，施肥-耕作模式的影响缺乏一致性和显著性。NT相对于PT和ST实现了犁底层的下移，且在平衡施肥下降低了0-30 cm土层的容重。平衡施肥导致10-30 cm层容重的上升，低量施肥则提高了30-40 cm层的容重。轮耕模式中的NS在0-30 cm层的容重低于其它连/轮耕模式。 （3）RN、RS模式0-5 cm土层的毛管孔隙率分别达51.2%、41.7%，相对RP提高了9.2%、1.4%，但NT处理在低量和常规施肥水平上的孔隙率低于PT。NT、ST处理 40-80 cm层的孔隙率相对PT提高了2.7%-11.3%。增施氮肥后0-40 cm层的孔隙率增加了0.4%-10.0%。NS及SP模式有利于0-80 cm剖面孔隙率的提高。 （4）RN处理0-5 cm表层土的力稳性和水稳性大团聚体含量分别达89.4%、65.8%，平均质量直径分别比CP高19.7%和32.4%。NT在0-40 cm土层的力稳性大团聚体含量高于其它连耕处理，ST则有利于40-80 cm的提高。平衡施肥提高了0-40 cm及60-80 cm土层力稳性团聚体的稳定性，但降低了40-80 cm层的水稳性团聚体含量。NS提高了0-80 cm层力/水稳性大团聚体含量，SP、PN模式仅有利于水稳性团聚体含量的增加。 3、保护性耕作对渭北旱塬连作麦田土壤化学性状的影响 （1）0-10 cm土层的有机质（SOM）含量表现为NT＞ST＞PT，常规施肥＞平衡施肥＞低量施肥，CN模式下含量可达1.9%。高层化率导致低量和平衡施肥下保护性耕作/轮耕的0-100 cm SOM储量较PT降低了0.1-1.2kg?m-3，常规施肥下则增加了1.5-2.6 kg?m-3。不同施肥水平的SOM总储量表现为常规施肥＞低量施肥＞平衡施肥。 三种施肥条件下NT在0-80 cm土层的大团聚体固碳量为34.0-38.4t?ha-1，均高于PT、ST。ST在0-5 cm土层的大团聚体碳含量高于PT，但0-80cm总储量在平衡施肥下低于PT。施肥及耕作对微团聚体碳和粉-粘粒碳储量的影响不明显，但土壤扰动及平衡施肥导致粉-粘粒碳及微团聚体碳所占比例升高。 （2）三种施肥条件下NT及ST0-10 cm土层的平均全氮含量较PT（7.5g?kg-1）增加了2.7%-21.8%，速效氮含量较PT（12.4 mg?kg-1）提高了7.7%-323.6%。但因高层化率导致平衡施肥条件下保护性耕作/轮耕的0-100 cm土层全氮储量低于PT。全氮储量在施肥间的差异为常规施肥＞低量施肥＞平衡施肥，速效氮为常规施肥＞平衡施肥＞低量施肥。硝态氮是速效氮的主要成分，变化规律与速效氮相似，CP 导致了明显的淋溶现象。各模式间的铵态氮含量差异无显著规律。 （3）全磷及速效磷的最高层化率可达1.76、4.41，较SOM和氮更严重。各模式0-10 cm土层的全磷、速效磷含量分别为0.8g?kg-1、22.5mg?kg-1，80-100 cm土层含量仅为表层的37.1%、11.7%。保护性耕作的表层全磷、速效磷含量比PT平均高15.2%、35.4%，速效磷总储量比PT高9.2%，但除NT、NS外其它连/轮耕方式的全磷储量低于PT。不同施肥处理间的全磷储量差异表现为平衡施肥＞常规施肥＞低量施肥，速效磷差异为常规施肥＞平衡施肥＞低量施肥。 （4）不同施肥水平下保护性耕作/轮耕0-10 cm土层的全钾含量在11.1-12.2g?kg-1范围内，较PT提高了4.3%-12.8%；0-100cm总储量为16.6-18.4 kg?m-3，较PT提高了0.4%-7.5%；平衡施肥的全钾储量低于常规、低量施肥。各耕作处理中仅NS和NT提高了表层速效氮含量和0-100 cm速效氮储量，低量施肥的速效钾含量略高于其它施肥处理（P＞0.05）。 4、保护性耕作对渭北旱塬连作麦田温室气体排放及碳生态足迹的影响 （1）连作冬小麦田的CO2排放速率在49.5-635.1 mg?m-2?h-1之间，冬季低而作物旺盛生长期及高温多雨的休闲期高。NT 具有最低的平均排放速率，年平均累计排放量在14.5-16.5 t?ha-1之间，相比翻耕降低了14.7%-18.7%，其次为NS、ST。相同耕作方式下平衡施肥处理的平均排放速率最大，低量施肥最小，但RN 通过减少土壤扰动比CP降低了16.9%。 （2)渭北旱塬旱作农业区属于 CH4 的汇，各模式的平均吸收速率在 8.0-138.1μg?m-2?h-1区间，冬季吸收速率最低，最高吸收峰在拔节至灌浆期。相同耕作方式下施肥处理间的平均吸收速率差异不显著。NT、ST 在三种施肥水平上的年累计吸收量较 PT降低了19.6%-23.7%、4.8%-8.3%，累计排放量表现为PT＞SP＞PN＞ST＞NS＞NT。 （3）N2O排放速率在2.52-160.6μg?m-2?h-1之间，不同时期间波动剧烈。增施氮肥及免耕加剧了N2O的排放，年累计排放量最高的CN模式（1.3 kg?ha-1）比最低的低量施肥翻耕（LP）增加了74.0%。NS年累计排放量高于NT，SP、PN与PT差异不显著。 （4）在农业生产的间接碳排放中，化学肥料占 48.2%-79.0%，能耗排放占 31.3%.间接碳排放量最大的平衡施肥翻耕（CS）模式年公顷排放达1456.5 kg?CO2-eq，是最小的LN模式的1.26倍。N2O、CH4及农业间接排放的增温潜势分别占碳生态足迹的1.4%、0.6%及5.5%。CP模式的温室效应最高，平均年生态足迹为21.5 t?CO2-eq?ha-1，是LN（15.3 t?CO2-eq?ha-1）的1.4倍。平衡施肥的单位产量碳足迹最低，其中NT、NS模式约为4.3 tCO2-eq?ha-1?t-1，较CP降低了26.5%。 10年定位试验表明，平衡施肥结合保护性耕作有效的提高了单位面积产量和水分、肥料利用效率，改善了土壤结构，维持了较高的表层营养，促进了作物对养分的吸收，减缓了温室气体排放，降低了单位产量碳生态足迹。其中NS模式兼具了土壤生产力提高和固碳减排，具有最高的综合效益，是渭北旱塬及同类地区连作冬小麦田适宜的施肥和耕作模式。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1研究目的及意义

1.2研究背景

1.3国内外研究概况与发展趋势

1.4 研究切入点

第二章 研究内容与方法

2.1 试验区概况

2.2 试验设计

2.3 研究内容

2.4 技术路线

2.5 测定项目与方法

2.6 数据处理与分析

第三章 保护性耕作对渭北旱塬连作麦田产量和水肥利用的影响

3.1施肥-耕作模式对连作麦田产量、水肥利用效率及产量稳定性的影响

3.2保护性轮耕模式对连作麦田产量及稳定性的影响

3.3 讨论

3.4 小结

第四章 保护性耕作对渭北旱塬连作麦田土壤物理性状的影响

4.1保护性耕作对连作麦田土壤水分状态的影响

4.2保护性耕作对连作麦田土壤容重的影响

4.3保护性耕作对连作麦田土壤毛管孔隙度的影响

4.4保护性耕作对连作麦田土壤团聚体结构的影响

4.5讨论

4.6小结

第五章 保护性耕作对渭北旱塬连作麦田土壤化学性状的影响

5.1保护性耕作对连作麦田土壤有机质含量的影响

5.2保护性耕作对连作麦田土壤氮含量的影响

5.3保护性耕作对连作麦田土壤磷含量的影响

5.4保护性耕作对连作麦田土壤钾含量的影响

5.5讨论

5.6小结

第六章 保护性耕作对渭北旱塬连作麦田温室气体排放及碳生态足迹的影响

6.1保护性耕作对连作麦田CO2排放的影响

6.2保护性耕作对连作麦田CH4排放的影响

6.3保护性耕作对连作麦田N2O排放的影响

6.4保护性耕作对连作麦田碳生态足迹的影响

6.4讨论

6.5小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

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