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秸秆周年投入与施肥对小麦—玉米轮作温室气体排放效应及农田生产力的影响

 
【摘要】:温室气体排放加剧是诱发全球气候变化的主要因素,而农业活动是人为温室气体排放的重要来源。小麦-玉米轮作模式作为我国北方重要的栽培种植制度,每年收获数量可观的作物秸秆,秸秆的有效利用是实现该模式增产增效与固碳减排协同发展的有效途径之一。关中地区是我国西北地区重要的粮食主产区,该地区小麦-玉米轮作存在秸秆利用率低、施肥不当等问题,严重制约了该地区农业的可持续发展。针对这一现状,本研究基于小麦-玉米轮作的长期定位试验,设置3个秸秆投入水平(NS:无秸秆投入;HS:半量秸秆投入;S:全量秸秆投入)和3个施肥水平(NF:不施肥;F0.8:减量20%施肥;F:常规施肥),共计9个试验处理(NS+NF;NS+F0.8;NS+F;HS+NF;HS+F0.8;HS+F;S+NF;S+F0.8;S+F),在2015-2018年期间,系统探究了农田生产力、土壤有机碳库特征、土壤温室气体排放特征对不同秸秆投入和施肥水平的响应,并分析不同秸秆投入和施肥组合方式的农田生态系统温室气体排放效应,以明确秸秆投入对于关中地区小麦-玉米轮作模式粮食生产、土壤固碳、温室气体源汇机制的影响,而为实现该区域农业的绿色生产和发展低碳农业提供理论与实践依据。所得结果具体如下:(1)秸秆投入和施肥均提高了小麦及玉米的农田生产力,且F0.8处理和F处理间作物产量和生物量均相差不大。F0.8处理较NF处理显著增产26.3-34.8%(小麦)和15.3-25.0%(玉米);F0.8处理地上部生物量较NF处理显著提高27.2-46.9%(小麦)和26.1-44.8%(玉米),地下部生物量较NF处理显著提高16.5-26.3%(小麦)和40.6-69.5%(玉米)。在施肥条件下,相比NS处理,S处理显著增产6.6-12.7%(小麦)和2.2-5.1%(玉米),并显著提高作物地上部生物量3.8-12.7%(小麦)和5.1-9.3%(玉米)。F0.8处理较F处理显著提高小麦和玉米氮肥偏生产力(PEP_N)、氮肥农学利用效率(AE_N)和氮肥利用率(NUE);秸秆投入也显著提高了小麦和玉米PEP_N和AE_N、NUE。F0.8处理WUE较NF处理显著提高22.3-39.5%(小麦)和16.3-24.7%(玉米);S处理作物播种和收获期间的土壤储水量显著高于NS处理,作为结果,S处理WUE较NS处理显著提高3.2-14.9%(小麦)和0.1-11.7%(玉米)。(2)秸秆投入配合施肥主要影响浅层土壤的SOC含量。在0-40cm土层深度范围内,F0.8处理相比NF处理显著提高7.5-42.3%;在0-20cm土层深度范围内,S处理较NS处理显著提高3.1-10.3%。秸秆投入配合施肥同样对土壤SOC储量有显著的影响,F0.8处理较NF处理显著提高4.9-16.2%;S处理较NS处理显著提高13.3%。施肥对于不同土层深度下的可溶性有机碳(DOC),易氧化有机碳(LOC)以及颗粒有机碳(POC)的含量有显著促进作用;在施肥条件下,S处理相比NS处理显著提高了不同土层深度下的DOC,LOC和POC含量以及不同组分占总有机碳的比重。此外,以NS+NF处理作为参考农田土壤,F0.8处理与F处理均显著提高了有机碳库管理指数(CPMI),且S处理在施肥条件下也同样显著提高了土壤CPMI。(3)农田温室气体排放存在明显的季节性特征,表现为冬季最低,夏季最高。关中地区小麦-玉米轮作模式表现为CO_2和N_2O的源,以及CH_4的汇。秸秆投入和施肥均提高了CO_2和N_2O的作物生育期累计排放量,其中F0.8处理CO_2累计排放量相比NF处理显著提高2.9-10.0%(小麦)和3.5-6.0%(玉米);N_2O累计排放量相比NF处理显著提高50.5-67.3%(小麦)和78.7-93.6%(玉米)。在施肥条件下,S处理CO_2累计排放量相比NS处理显著提高3.6-5.7%(小麦)和1.5-3.9%(玉米);N_2O累计排放量相比NS处理显著提高14.7-27.8%(小麦)和8.7-27.4%(玉米)。此外,S+F处理相比NS+NF处理显著降低小麦和玉米CH_4累计吸收量5.1-8.1%和5.1-16.2%。(4)土壤水热因子、土壤有机碳活性组分、碳循环相关酶与土壤CO_2排放之间均存在相关性。土壤温度的变化对于土壤CO_2排放的影响可以通过指数函数描述,解释率为76.4-81.6%(小麦)和66.1-73.4%(玉米),小麦土壤含水量的变化对于土壤CO_2排放的影响可以通过二次函数描述,解释率为14.6-41.4%;玉米土壤含水量的变化对于土壤CO_2排放的影响可以通过线性函数描述,解释率为10.5-22.1%。小麦和玉米生育期土壤CO_2排放的温度敏感性Q_(10)分别为1.84-2.44和1.88-2.10,其中Q_(10)在小麦生育期内随秸秆投入量的提高而降低,但在玉米生育期内随秸秆投入量的提高而增高。小麦和玉米生育期内,土壤CO_2排放与土壤微生物量碳(MBC)含量、β-葡萄糖苷酶活性、纤维素酶活性和蔗糖酶活性均存在显著或极显著正相关。(5)全量秸秆投入和施肥均显著提高了小麦-玉米轮作净初级生产力增温潜势(GWP_(NPP))和温室气体排放增温潜势(GWP_(GHGS))。在施肥条件下,小麦-玉米轮作GWP_(NPP)高于GWP_(GHGS),说明系统“固碳”能力高于系统“耗碳”能力。在施肥条件下,小麦-玉米轮作的综合增温潜势(△GWP)为正,说明该种植模式是温室气体的“汇”,秸秆投入和施肥均提高了小麦-玉米轮作△GWP和温室气体排放强度(GHGI),其中,在减量施肥条件下,全量秸秆投入处理相比无秸秆投入处理显著降低了温室气体净排放量1228-1731kgCO_2/hm~2,而不同处理间△GWP的差异显示,S+F0.8处理较NS+F处理显著降低了温室气体净排放量898-1535kgCO_2/hm~2。综上所述,在现阶段的关中地区小麦-玉米轮作模式生产过程中,推行作物秸秆全量周年投入配合减量施肥20%,能够在有效提高农田生产力,促进土壤有机碳的积累的同时,减缓农田生态系统的温室气体排放效应。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S513;S512.1;S181

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