旱地夏闲期覆盖秸秆和种植绿肥协调土壤水肥供应的效应与机制

【摘要】：由于氮肥过量投入带来了一系列生态环境问题,当前农业生产面临的巨大挑战是在保证粮食产量稳步增长的同时,减少氮肥施用对环境的负面影响。因此,寻求其他环境友好型途径来减少氮肥施用,实现农业与环境可持续发展成为当前该领域的研究热点。另外,水资源短缺和较低的水分利用效率是限制世界上很多地区农业生产的关键因子。许多学者提出大力发展旱区雨养农业,提高旱作农业区的作物生产能力是解决水资源短缺,保证粮食生产安全的重要措施。西北黄土高原旱地是典型的雨养农业区,水分匮乏和土壤贫瘠是制约黄土高原旱地农业生产的两大关键因素。夏闲期合理的土壤管理方式是提高旱地土壤肥力和改善作物管理的重要途径。秸秆覆盖还田具有蓄水保墒、协调养分供应、培肥改土和增加产量等作用;绿肥是养地作物,既能肥田、又能改土,因此,采取秸秆还田和种植绿肥的栽培措施是解决黄土高原“旱”与“薄”的有效途径。本研究以常规的夏季裸地休闲为对照,研究了夏闲期覆盖小麦秸秆、种植豆科绿肥以及二者结合协调土壤水肥供应的效应与机制,以期为提高黄土高原旱地的土壤肥力和生产能力提供有利的理论依据和实践经验。取得的主要结论如下:(1)通过三年田间定位试验,研究了夏闲期覆盖秸秆和种植绿肥以及二者结合对冬小麦产量和水氮吸收利用的影响。结果表明:与对照相比,连续三年秸秆覆盖还田均增加了夏闲期土壤蓄水量,但第三年冬小麦籽粒产量降低了8%,籽粒氮素含量在三个试验年度降低了6–15%。而种植绿肥显著降低了第一年和第三年夏闲期土壤蓄水量,但增加了冬小麦播前0–100 cm土壤硝态氮累积量,第三年冬小麦水分利用效率也增加了16%。在连续三年试验期间,秸秆还田和种植绿肥二者的混合处理对夏闲土壤蓄水量和土壤硝态氮累积量均无显著影响,但增加了第二季冬小麦籽粒产量和第三季冬小麦水分利用效率。可见,夏闲期秸秆覆盖还田结合种植绿肥够抵消其单独实施的负面效应,对黄土高原旱地以及其他类似区域不失为一种行之有效的夏闲期土壤管理方式。(2)采用15N同位素示踪法,利用两年的田间微区试验,研究了黄土高原旱地不同夏闲栽培方式下,绿肥、秸秆和肥料中的氮素在冬小麦生长季的去向。结果表明:绿肥氮在两个冬小麦生长季的小麦累积吸收量为15.4 k g ha-1(22.4%),土壤残留为35.4 kg ha-1(51.7%),损失量达17.7 kg ha-1(25.9%)。添加小麦秸秆显著降低了绿肥氮在土壤中的残留,但增加了累计损失。秸秆氮被两季冬小麦累积吸收量为2.0 kg ha-1(8.3%),土壤残留为7.5 kg ha-1(31.0%),损失量达到14.6 kg ha-1(60.7%)。添加绿肥显著降低了秸秆氮被冬小麦吸收,既增加了其在土壤中的残留,又减少了损失。另外,无机肥料氮被冬小麦两季累积吸收量为44.7 kg ha-1(32.4%),土壤残留量为44.6 kg ha-1(32.3%),累积损失高达48.6 kg ha-1(35.2%)。添加不同作物残体显著增加了冬小麦第二季肥料氮的吸收,减少了其在土壤中的残留。可见,无机肥料氮肥与适当的作物残体混合施用能够提高肥料氮的利用率,减少旱地冬小麦-夏休闲轮作体系中肥料氮的损失。(3)通过室内培养的方法,利用15N同位素示踪技术,研究不同种类豆科与非豆科绿肥地上部与根部的氮素矿化特性,分析不同作物残体特性与其氮素矿化的关系。结果表明:豆科绿肥在整个培养周期表现出净氮素矿化的规律,且在培养开始的前30天腐解速率较快;而非豆科绿肥在培养开始的前30天发生明显的氮素固持作用。在培养结束时(第100天),豆科绿肥净氮素矿化率显著高于非豆科绿肥。豆科绿肥净15N矿化率平均值为33.1%,而非豆科绿肥仅为19.7%。总体上,作物地上部的氮素矿化速率较根部快,不同品种绿肥地上部净15N矿化率较根增加了1.4–15.3%。作物残体净氮素矿化率与其C/N比、木质素、纤维素和半纤维素都成线性负相关关系,其中C/N比能更好的指示其氮素矿化特性。因此,在农业生产中,选择C/N比较低的作物残体还田应考虑腐解初期与作物氮素吸收同步,而选择C/N比较高的作物残体还田初期应添加适量氮肥以避免发生作物残体腐解与作物争氮的问题。(4)通过三年田间定位试验,研究旱地夏闲期覆盖秸秆和种植绿肥以及二者结合对冬小麦磷、钾吸收以及土壤磷、钾数量变化的影响。结果表明:夏闲期种植绿肥和秸秆+绿肥处理降低了播前0–40 cm表层土壤有效磷数量,但种植绿肥提高了开花期以及第一年收获期表层土壤有效磷数量。对冬小麦籽粒磷素含量和地上部磷素吸收没有产生显著影响。但夏闲期覆盖秸秆提高了开花期以及第一年收获期表层土壤有效磷数量,但降低了第三季冬小麦地上部磷素吸收,显著降低了8.4%。连续三年进行秸秆覆盖还田,小麦地上部钾素吸收降低了14%,对土壤速效钾数量无显著影响。夏闲期种植绿肥和秸绿处理对土壤速效钾以及冬小麦地上部钾素吸收没有显著影响。可见,夏闲期种植绿肥降低冬小麦播前表层土壤有效磷数量,但提高了开花和收获期表层土壤有效磷数量。连续三年进行秸秆覆盖还田后,地上部磷钾素吸收降低。而在夏闲期秸秆覆盖的同时种植豆科绿肥能够减缓地上部磷钾吸收发生减少,因此不失为一项有效的夏闲土壤管理方式。 【关键词】：旱地 冬小麦 夏闲期 秸秆覆盖还田 绿肥
【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】：2015
【分类号】：S512.11;S55
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 文献综述14-29
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 秸秆覆盖还田研究进展16-20
• 1.2.1 秸秆覆盖还田对小麦产量的影响16-17
• 1.2.2 秸秆覆盖还田对土壤水分的影响17-18
• 1.2.3 秸秆覆盖还田对氮素的影响18-19
• 1.2.4 秸秆覆盖还田对磷素的影响19-20
• 1.2.5 秸秆覆盖还田对钾素的影响20
• 1.3 种植绿肥研究进展20-24
• 1.3.1 种植绿肥对小麦产量的影响20-21
• 1.3.2 种植绿肥对土壤水分的影响21-22
• 1.3.3 种植绿肥对氮素的影响22-23
• 1.3.4 种植绿肥对磷素的影响23-24
• 1.3.5 种植绿肥对钾素的影响24
• 1.4 作物残体氮素腐解特征及其影响因素24-26
• 1.4.1 研究作物残体腐解的方法24-25
• 1.4.2 作物残体还田土壤后氮素腐解规律25
• 1.4.3 影响作物残体腐解的因素25
• 1.4.4 不同质量作物残体配合施用调节氮素固持与供应25-26
• 1.5 选题依据26-27
• 1.6 研究方法、内容及技术路线27-29
• 第二章 旱地夏闲期覆盖秸秆和种植绿肥对冬小麦产量和水氮吸收利用的影响29-48
• 摘要29
• 2.1 前言29-31
• 2.2 材料与方法31-35
• 2.2.1 试验区概况31-32
• 2.2.2 试验设计32-33
• 2.2.3 样品采集33-34
• 2.2.4 测定项目及方法34
• 2.2.5 计算及统计方法34-35
• 2.3 结果与分析35-45
• 2.3.1 降水量35
• 2.3.2 冬小麦产量、生物量和收获指数及产量构成因素35
• 2.3.3 冬小麦籽粒氮含量和地上部氮吸收35
• 2.3.4 冬小麦播前、开花与收获期土壤硝态氮剖面分布35-42
• 2.3.5 冬小麦生育期耗水量和水分利用效率42
• 2.3.6 夏闲期土壤蓄水量42-45
• 2.4 讨论45-47
• 2.4.1 冬小麦产量45
• 2.4.2 冬小麦籽粒氮含量和地上部氮吸收45-46
• 2.4.3 土壤氮素46
• 2.4.4 夏闲期土壤蓄水量和水分利用效率46-47
• 2.5 结论47-48
• 第三章 旱地夏闲期不同栽培方式下外源氮在冬小麦生长季的去向48-65
• 摘要48
• 3.1 前言48-50
• 3.2 材料与方法50-53
• 3.2.1 试验区概况50
• 3.2.215N标记豆科绿肥和小麦秸秆的准备50
• 3.2.3 试验设计50-51
• 3.2.4 样品采集51-52
• 3.2.5 测定项目及方法52
• 3.2.6 计算及统计方法52-53
• 3.3 结果与分析53-61
• 3.3.1 绿肥氮去向53-55
• 3.3.2 小麦秸秆氮去向55-58
• 3.3.3 无机肥料氮去向58-61
• 3.4 讨论61-64
• 3.4.1 绿肥氮去向61-62
• 3.4.2 秸秆氮去向62-63
• 3.4.3 无机肥料氮去向63-64
• 3.5 结论64-65
• 第四章 不同豆科与非豆科绿肥氮素矿化特性研究65-78
• 摘要65
• 4.1 前言65-66
• 4.2 材料与方法66-68
• 4.2.1 试验材料66-67
• 4.2.2 氮素矿化培养试验67
• 4.2.3 测定项目及方法67-68
• 4.2.4 计算及统计方法68
• 4.3 结果与分析68-75
• 4.3.1 不同作物残体特性差异68-70
• 4.3.2 不同作物残体净氮素矿化率70-71
• 4.3.3 添加不同外源作物残体对土壤净氮素矿化与固持的影响71-72
• 4.3.4 不同作物残体净氮素矿化率与作物残体特性的关系72-73
• 4.3.5 不同培养阶段，净氮素矿化率与作物残体C/N比的关系73-75
• 4.4 讨论75-77
• 4.4.1 不同种类作物残体的净氮素矿化75-76
• 4.4.2 不同种类作物残体氮素矿化与残体特性的关系76-77
• 4.5 结论77-78
• 第五章 旱地夏闲期覆盖秸秆和种植绿肥对冬小麦磷钾吸收和土壤磷钾数量的影响78-92
• 摘要78
• 5.1 前言78-80
• 5.2 材料与方法80
• 5.2.1 试验区概况80
• 5.2.2 试验设计80
• 5.2.3 样品采集80
• 5.2.4 测定项目及方法80
• 5.2.5 计算及统计方法80
• 5.3 结果与分析80-89
• 5.3.1 冬小麦籽粒磷含量及地上部磷吸收80-81
• 5.3.2 冬小麦播前、开花与收获期土壤有效磷剖面分布81-85
• 5.3.3 冬小麦籽粒钾含量及地上部钾吸收85
• 5.3.4 冬小麦播前、开花与收获期土壤速效钾剖面分布85-89
• 5.4 讨论89-91
• 5.4.1 冬小麦磷吸收及土壤有效磷数量89-90
• 5.4.2 冬小麦钾吸收及土壤速效钾数量90-91
• 5.5 结论91-92
• 第六章 主要结论、创新点及进一步研究的问题92-95
• 6.1 主要结论92-93
• 6.2 研究特色与创新93
• 6.3 有待进一步研究的问题93-95
• 参考文献95-112
• 致谢112-114
• 作者简介114-115

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