东北黑土区不同种植模式对玉米产量和土壤质量及温室气体排放影响研究

发布时间：2019-08-01 07:15

【摘要】：东北地区是我国最重要的粮食主产区之一,随着粮食生产的战略北移,该地区已经成为我国粮食主产区中增产潜力最大的区域。保障东北地区粮食可持续生产,有利于实现国家粮食安全、促进国民经济健康发展。东北黑土素以地势平坦、便于开垦、土壤肥力高著称。然而该区域由于黑土过度开垦,加之不合理的耕种方式,导致土壤肥力下降、水土流失严重、土壤生产力不断降低,长期以来资源利用效率呈负增长的趋势。当前,东北玉米种植以长期连作与单一施用化肥为主,并且已经替代了传统的豆科作物与玉米轮作的种植模式。此外,东北地区也是受全球气候变化影响最为显著的区域之一,近几十年来春季干旱与低温冷害频发,对玉米生产十分不利。建立土壤肥力与作物产量协同提高的玉米生产体系,增强土壤应对气候变化的缓冲能力,已经成为东北黑土区粮食可持续生产亟待解决的重要问题。为此,本研究借助吉林省公主岭市的长期定位试验,通过原位监测与数据分析相结合,系统开展了玉米连作、玉米-大豆轮作(种植2年玉米、1年大豆)以及大豆连作等不同种植模式在增施有机肥条件下的玉米产量变化、土壤理化性状与水热特征、土壤微生物组成与结构等方面的研究;同时对不同种植模式下的农田温室气体排放规律以及综合温室效应(Global warming potential,GWP)等进行了系统评价,以期为东北黑土退化治理和粮食可持续生产提供理论依据和实践指导。本文主要结论如下:(1)长期有机肥与化肥配施条件下,2004～2013年间玉米连作、玉米-大豆轮作第一年与第二年的玉米产量均呈增加的趋势,其平均产量在11.2～11.3thm-2之间,且处理间无显著差异(P0.05),而从玉米单位面积穗数、穗粒数以及百粒重等产量构成因素方面来看,各处理间也无显著差异;2004～2013年玉米生育期间的大气温度与降水量无显著变化趋势,且气象因子间与玉米产量与显著相关性;上述研究表明气象因子对不同种植模式的影响不显著,而有机肥的施用可以抵消长期玉米连作对土壤肥力的负面影响,保持玉米产量稳定提高。(2) 土壤采样分析与田间水热定位观测发现,玉米连作处理与玉米-大豆轮作和大豆连作处理相比,可显著降低土壤容重,增加土壤总孔隙度(P0.05),其中0～10 cm 土壤层次下土壤容重分别降低12.9%和19.8%,10～20 cm层次分别低21.4%和23.2%,20～40 cm层次分别降低23.9%和29.2%, 40～60 cm层次则分别降低20.3%和25.2%;玉米连作处理可显著提高5～6月份土壤水分储量,特别是0～40 cm 土层下,玉米连作处理分别比玉米-大豆轮作和大豆连作处理高6.5%和6.3%、3.6%和3.4%,且差异显著,而玉米连作处理下较高的土壤水分含量有利于促进作物前期生长和后期群体质量改善;从0～30 cm 土壤温度来看,不同处理间全生育期无显著差异;上述发现表明长期玉米连作结合有机无机肥料配施显著改善土壤结构,增加土壤水分储量,促进作物前期生长发育。(3) 土壤化学性状测定与分析发现,0～100 cm层次土壤有机碳、全氮、有效氮以及速效磷含量均随土壤层次的加深而降低,但速效钾含量在不同土壤层次间无显著变化趋势;相关分析发现土壤有机碳与土壤全氮、有效氮之间呈极显著的正相关关系(P0.01),表明较高的土壤有机碳含量有利于改善土壤N素有效性;长期土壤有机培肥条件下,各处理0～20 cm的耕层土壤有机碳、全氮、有效氮、有效磷以及有效钾含量均比试验初始(1990年)有了显著提高,而3个种植模式处理间,则以玉米连作最高,且与其它2个处理间差异显著。此外,玉米连作处理下的2000 μm、≥250～2000μm、≥53～250 μm以及53 μm的土壤团聚体有机碳均为最高;玉米连作处理下高活性的易氧化态有机碳最高,表明其对外界环境较为敏感,而惰性有机碳在玉米连作、玉米-大豆轮作以及大豆连作3个处理间无显著差异。上述研究表明,玉米连作配施有机肥可改善土壤养分状况,增加土壤碳氮积累,有利于土壤培育,但其碳库对外界环境变化的敏感性较高,因此要配合采用合理农田管理措施,降低土壤有机碳矿化分解风险。(4)微生物培养试验发现,土壤中细菌和放线菌数量具有明显的垂直分布规律,即随土层加深,微生物数量急剧下降,但真菌数量在不同土层之间无明显差异。0～40 cm 土层下,玉米连作处理的细菌、放线菌以及微生物总数量均显著高于玉米-大豆轮作和大豆连作处理,其中细菌数量分别高28.2%和44.6%,放线菌数量分别高5.3%和14.6%,微生物总数量则分别高25.4%和41.0%;从微生物结构来看,玉米连作处理下的细菌占比显著高于其它处理,而真菌、放线菌占比则以大豆连作处理最高;此外,土壤微生物数量与土壤容重、有机碳、全氮以及有效氮含量关系密切,其中细菌和放线菌数量与土壤容重的相关系数分别为-0.818和-0.718,呈极显著或显著的负相关关系,而与土壤有机碳、全氮和有效氮的相关系数分别为0.784和0.770、0.777和0.740以及0.755和0.699,呈显著的正相关关系。上述研究表明东北黑土区玉米连作结合有机肥施用条件在改善土壤理化性状的同时,也增加了土壤中细菌与放线菌的数量,但还应配合合理的农田管理措施,以提高土壤微生物多样性,而土壤微生物和土壤理化性状之间的显著相关性关系也表明土壤微生物数量分布能够敏感的反映土壤质量的变化,可以作为评价土壤质量状况的生物学指标。(5)温室气体连续观测结果表明,在作物整个生育期内,玉米连作、玉米-大豆轮作以及大豆连作3个种植模式处理下的CO2、N2O和CH4等温室气体排放通量均随时间呈现明显的动态变化;不同种植模式对土壤CO2排放具有显著影响,玉米连作、玉米-大豆轮作和大豆连作等3个处理下2011和2012年两年平均CO2累积排放量分别为5309.6、4422.0和4869.0 kg/hm2,而3个处理下的N2O平均累积排放量则分别为1.4、1.5和1.5 kg/hm2; 3个处理下不同年份间的CO2和N2O排放存在显著差异,2011年的CO2排放量显著高于2012年,而N2O排放量则是2011年低于2012年,这可能与两年的气象条件差异有关;进一步估算温室气体的综合温室效应(GWP- Global Warming Potential)发现,玉米连作、玉米-大豆轮作和大豆连作等3个处理下分别为398.5、424.6和451.2 kg CO2-eq/hm2,玉米连作处理趋向于降低全球增温潜势。(6)综上所述,在增施有机肥条件下,长期玉米连作与玉米-大豆轮作相比,籽粒产量无显著降低,土壤养分与有机碳含量均显著提高,且农田温室的综合效应有降低的趋势,因此在东北黑土区实行玉米连作是可行的,但应注意配合适宜的耕种管理措施,控制田间病虫害发生,降低有机碳矿化分解风险,提高农田微生物多样性,促进东北玉米可持续生产。
【图文】：

土壤肥力变化与温室气体排放特征及其相互关系，探讨东北黑土区玉米生产可持续发逡逑展的耕作栽培调控方向，为黑土治理与耕地培肥提供理论依据与技术支撑。具体技术逡逑路线见图１－１。逡逑１０逡逑

东北黑土区不同种植模式对玉米产量和土壤质量及温室气体排放影响研究

２．２．１试验地点逡逑试验地位于吉林省公主岭市吉林省农业科学院公主岭试验站（４３°３０＇２３＂Ｎ，逡逑１２４°４８，，３４〃Ｅ，海拔２２０邋ｍ，图２－１）。逡逑！？５ＷＦ．逦１２０邋ＷＥ逦ｔ２５－0ＸＴＫ逦５Ｊ５ＷＩ：逡逑知栙．逦／邋一逦黑龙江省＞逡逑Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ邋Ｐｒｏｖｉｎｃｅ邋（逡逑（逦？邋４５ｉｒ0＊Ｎ逡逑厂逦吉林省？逡逑／逦Ｊｉｌｉｎ邋Ｐｒｏｖｉｎｃｅ逡逑／＇逦公主岭试给钴？邋ｒｘＴ逡逑４５邋ｃｒ0－＼邋－逦Ｚ逦内爱古自治区一逦？邋Ｇｏｎｇｚｈｕｌｉｎｇ邋Ｅ？ｐｃｒｉｗｃｎｌａｌ邋Ｓｔａｔｉｏｎ逡逑Ｉｎｎｅｒ邋Ｍｏｎｇｏｌｉａ邋Ａｎｔｏｎｏｒａｏｕｓ邋Ｋｅａｔｏｎ逦，Ｊ逡逑＞逡逑逦——－ｓ逦辽宁者“逡逑｛逦０邋５５１１０邋２２０邋３３０邋４４０逡逑■■■■逦逦Ａｄ．．邋■ＯＯ—ｉｍ—邋Ｋｌｉｏｒｎｅｔｅｆｓ逦：逦逡逑ＩＩ５ＷＥ逦Ｉ２ＱＷＴＨ逦Ｉ２５ＷＥ逦ＩＸＴＷＥ逡逑图２－１长期定位试验地点逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑１４逡逑
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S513;S151.9

【引证文献】