黄土高塬沟壑区农田土壤养分与作物产量的长期监测研究

发布时间：2017-04-06 02:09

  本文关键词：黄土高塬沟壑区农田土壤养分与作物产量的长期监测研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：黄土高塬是我国西北地区的粮食来源基地,土壤养分贫瘠和水分不足限制了该区农业的发展。中国科学院长武农田生态系统国家野外科学观测研究站是中国生态系统研究网络(CERN)36个国家级野外科学研究站之一,承担对当地气象、水文、土壤、生物以及农业经济等要素进行长期动态监测。本研究以长武站长期试验监测场为基础,结合野外采样、走访调查以及室内分析的研究方法,深入探讨了农田生态系统不同施肥以及不同地形条件下土壤养分要素的长期动态演变以及相应的生物效应响应;并针对不同降雨年型下的作物水分利用效率及土壤含水量变化做了研究,探讨养分、水分和作物产量之间的关系;最后,对DSSAT模型在该研究区域的适用性做出了评价,模拟预测了不同氮素供应下的小麦产量。本研究得出的主要结论如下:(1)各施肥监测区经过10年的长期施肥管理后,土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均得到不同程度的提高。对于化肥监测区(HF),土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了1.97 g/kg、0.13 g/kg、8.42 mg/kg和8.4 mg/kg;化肥有机肥监测区(HM)各土壤养分含量分别增加了2.2 g/kg、0.06 g/kg、11.86 mg/kg和0.9 mg/kg;农民地监测区(NM)分别增加了1.44 g/kg、0.05 g/kg、3.06 mg/kg和27 mg/kg。对于无肥区(CK),长期不施肥必然会导致土壤各养分元素含量降低,土壤肥力退化。在该研究区域有机肥增加了土壤硝化、反硝化作用以及土壤微生物活性,使得土壤碱解氮只在化肥监测区(HF)出现增长,而在其它监测区均降低。在黄土高塬沟壑区,除了施肥水平外,小麦产量受生育期降水及其合理分配以及0℃积温影响较大。(2)长期施肥可以改善塬面和梯田农田土壤的养分状况。相比于试验前,塬面土壤的有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量分别增长了0.72g/kg、0.02g/kg、1.23mg/kg和34.06mg/kg,有效磷含量出现降低;梯田土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量分别增加了2.42g/kg、0.1g/kg、15.0mg/kg和2.49mg/kg,速效钾含量出现降低。整体看出,长期施肥对梯田土壤的改良效果较塬面更加显著,这主要与梯田土壤理化性质初始水平较低有关。塬面监测区的小麦产量显著高于梯田监测区,这说明梯田土壤性质有待于进一步提高,可通过采取相应的培肥及工程措施改善梯田土壤质量,提高作物产量效益。(3)作物耗水量与小麦生育期降水量呈现正相关关系,作物水分利用效率则与生育期降水量呈现负相关关系,塬面土壤的作物耗水与水分利用效率显著高于梯田土壤。夏闲期降水对土壤水分的补给作用与降雨年型关系密切,塬面土壤的水分补给作用相对于梯田较高。在黄土高塬沟壑区农田生态系统中,0-300cm土层土壤含水量受降雨影响较为明显,各监测区在不同降雨年份0-300cm土层土壤水分的活跃层、次活跃层和稳定层深度不同。对塬面土壤来说,平水年土壤水分活跃层出现在0-100cm之间,次活跃层出现在100-180cm之间,180cm土层以下为土壤水分稳定层;干旱年份各土壤水分变化层次均出现明显上移;丰水年土壤水分活跃层较平水年深度明显增加,基本达到300cm土层以下,次活跃层不明显,0-300cm未出现水分稳定层。梯田在平水年土壤水分的波动程度分界土层为160cm;干旱年份土壤水分稳定层明显上移,为100cm土层以下;丰水年土壤水分活跃层深度明显增加,0-300cm未出现稳定层。(4)DSSAT作物生长模拟模型对黄土高塬沟壑区塬面农田生态系统中冬小麦的生长发育具有良好的适用性。通过模拟预测不同氮肥处理试验发现,在该研究区域N4M2(氮肥135kg/hm2、有机肥30000kg/hm2)为当地农田最佳的氮肥用量配比,可在减少氮肥用量的基础上维持小麦高产,进一步提高资源利用效率,降低环境潜在污染。
【关键词】：黄土高塬 土壤养分 作物产量 变化趋势 作物模型
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S158.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 研究背景、目的和意义13-14
• 1.2 国内外研究进展14-20
• 1.2.1 施肥对土壤养分影响的研究概况14-16
• 1.2.2 水分利用效率研究概况16-18
• 1.2.3 生物效应研究概况18-19
• 1.2.4 作物模型研究概况19-20
• 1.3 总结20-22
• 第二章 研究内容与方法22-29
• 2.1 中国生态系统研究网络（CERN）信息介绍22-23
• 2.2 研究区概况23-24
• 2.3 研究内容24
• 2.4 技术路线及研究设计24-27
• 2.4.1 技术路线24-25
• 2.4.2 试验设计25-27
• 2.5 研究方案27
• 2.6 样品采集与测定方法27-29
• 2.6.1 土壤样品采集与测定27
• 2.6.2 生物样品采集与测定27-28
• 2.6.3 水分要素观测方法28
• 2.6.4 相关计算公式28-29
• 第三章 黄土高塬沟壑区不同施肥条件农田土壤养分与作物产量的长期监测研究29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 材料与方法29
• 3.3 结果分析29-36
• 3.3.1 长期监测试验10年间土壤养分含量变化分析29-33
• 3.3.1.1 土壤有机质含量变化29-30
• 3.3.1.2 土壤全氮含量变化30-31
• 3.3.1.3 土壤碱解氮含量变化31-32
• 3.3.1.4 土壤有效磷含量变化32
• 3.3.1.5 土壤速效钾含量变化32-33
• 3.3.2 农田养分平衡分析33-34
• 3.3.3 不同施肥监测区对小麦产量的影响34-36
• 3.4 讨论与结论36-38
• 第四章 黄土高塬沟壑区不同地形对农田土壤养分与作物产量的影响研究38-46
• 4.1 引言38
• 4.2 材料与方法38
• 4.3 结果分析38-44
• 4.3.1 试验监测11年间土壤养分含量变化分析38-42
• 4.3.1.1 土壤有机质含量变化38-39
• 4.3.1.2 土壤全氮含量变化39-40
• 4.3.1.3 土壤碱解氮含量变化40
• 4.3.1.4 土壤有效磷含量变化40-41
• 4.3.1.5 土壤速效钾含量变化41-42
• 4.3.2 农田养分平衡分析42
• 4.3.3 不同地形对冬小麦产量的影响42-44
• 4.4 讨论与结论44-46
• 第五章 黄土高塬沟壑区农田土壤水分效应长期监测研究46-56
• 5.1 引言46
• 5.2 材料与方法46
• 5.3 结果与分析46-54
• 5.3.1 作物-土壤水分效应的长期监测研究46-49
• 5.3.1.1 土壤耗水量变化的长期监测研究46-47
• 5.3.1.2 作物耗水量变化的长期监测研究47-48
• 5.3.1.3 作物水分利用效率变化的长期监测研究48-49
• 5.3.2 夏闲期降水对土壤水分补给的影响49-50
• 5.3.3 不同监测区冬小麦生育期 0-300cm土层土壤含水量变化规律50-54
• 5.4 讨论与结论54-56
• 第六章 DSSAT模型在黄土高塬沟壑区的适用性评价及冬小麦氮肥效应预测56-64
• 6.1 引言56
• 6.2 材料与方法56-57
• 6.3 模型分析方法57-59
• 6.3.1 模型及相关数据介绍57-58
• 6.3.2 模型数据库组建58-59
• 6.4 模型参数的调试与验证59-60
• 6.5 不同氮素投入水平下的产量预测60-62
• 6.5.1 不同氮肥处理模拟试验设计60
• 6.5.2 模型模拟结果分析60-62
• 6.6 讨论与结论62-64
• 第七章 结论与有待深入研究的问题64-67
• 7.1 主要结论64-65
• 7.2 不足之处及有待深入研究的问题65-67
• 参考文献67-75
• 个人简介75

【参考文献】

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本文编号：288079