保护性耕作措施下西北旱作麦玉两熟体系碳平衡及经济效益分析

发布时间：2017-12-06 09:20

  本文关键词：保护性耕作措施下西北旱作麦玉两熟体系碳平衡及经济效益分析

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【摘要】：近年来,由温室效应引起的全球气候变化已成为当今世界人们关注的焦点。在农田生态系统中,碳固定和碳排放均占有重要地位。因此,不同农业措施下土壤碳排放、土壤有机碳的动态及农业温室气体减排的技术潜力研究受到国内外的广泛关注。此外,加强农田土壤保持性耕作管理,科学认识和调控农田耕作系统能流,提高农业生态系统固碳减排能力和经济效益,对于控制农业温室气体排放和增加农民收入而言具有重要的价值。然而,在西北旱作冬小麦-夏玉米农田生态系统下有关不同耕作措施对碳平衡、能量利用效率及经济效益的综合评价比较鲜见。基于此,本试验以长期(6年)翻耕无秸秆还田为对照(CT),通过连续2年(2013.10-2015.10)的田间试验研究了3种保护性耕作措施[旋耕秸秆还田(RTS)、免耕秸秆还田(NTS)和深松耕秸秆还田(STS)]对西北旱作冬小麦-夏玉米一年两熟农田生态系统的作物产量以及经济效益、土壤呼吸以及对应的组分变化、土壤呼吸速率与土壤水温的相关关系、冬小麦-夏玉米生态系统碳平衡、能量利用效率的影响,以期探寻在西北旱作冬小麦-夏玉米生态系统保护性耕作措措施下的碳循环规律以及配套的固碳增效的耕作措施,从而为麦玉两熟区适宜的耕作方案的应用提供理论依据。研究结果对于深入分析其中的碳循环规律和发展低碳、可持续农业等具有重要的价值。最终得出的研究结果为:1.保护性耕作措施下冬小麦-夏玉米生态系统作物产量及经济效益分析两年试验期,深松耕秸秆还田较其他耕作处理均能增加作物周年生产力和总产值。在2013-14和2014-15年深松耕还田分别较翻耕无还田、免耕覆盖和旋耕还田增加了周年生产力16.2%、11.9%、12.7%和18.3%、13.5、14.6%。三种保护性耕作措施较传统翻耕处理均减少了投入成本,采用免耕覆盖、深松耕还田和旋耕还田减少机械投入有利于增加小麦-玉米农田生态系统经济效益,并且以深松还田处理的经济效益最高。2.不同耕作措施对土壤呼吸速率及其组分的影响不同耕作措施对土壤呼吸速率的季节变化和总量影响的结果为:两个小麦生长季内,4种耕作方式下土壤呼吸速率的季节变化趋势基本一致,在越冬期最低,之后又逐渐升高,至成熟收获期略有降低。整个冬小麦生长季土壤呼吸总量表现为STSRTSCTNTS。两年作物生育期,不同耕作措施下根系呼吸占土壤呼吸的比例在20.4~25.7%之间波动。两个夏玉米生长季内,4种耕作方式下土壤呼吸速率随夏玉米生长而变化,在夏玉米生长季内表现出单峰型变化趋势,在夏玉米抽雄期达到最大,之后又呈波浪式变化趋势直至成熟收获期。整个夏玉米生长季土壤呼吸总量表现为stsrtsctnts。不同耕作措施下根系呼吸速率占土壤呼吸速率的比例在45.3~62.2%之间波动。3.土壤呼吸与土壤水分、温度的关系两个小麦生长季内,4种耕作措施下土壤温度分别能够解释土壤呼吸季节变化的50~86%。而在两个夏玉米生长季内,土壤温度可以解释土壤呼吸季节变化的1~41%。20cm土壤水分含量和土壤呼吸速率的相关关系表明:2013-14年冬小麦生长季,土壤水分和土壤呼吸速率无关。2014-15年,冬小麦生长季,在sts和rts处理下,土壤水分与土壤呼吸速率负相关,而nts和ct两个处理下土壤水分与土壤呼吸速率不相关。2013-14年夏玉米生长季内,土壤水分含量在rts和ct两个处理下与土壤呼吸速率正相关,土壤水分含量在sts和nts处理下与土壤呼吸速率不相关。而2014-15年夏玉米生长季内,土壤水分含量与土壤呼吸速率都不相关。可见,土壤水分与土壤呼吸的相关关系比较复杂,并没有表现出明显的变化规律。4.保护性耕作措施下冬小麦-夏玉米田土壤净碳释放量分析研究表明无论是保护性耕作还是传统翻耕措施,其化肥尤其是氮肥碳排放都是冬小麦-夏玉米农田生产资料排碳量的第一大来源。免耕措施下尽管增加了农药带来的碳排放,但免耕下冬小麦-夏玉米田生态系统农业生产资料碳排放总量仍比传统翻耕少排放碳22.4%,充分说明免耕秸秆覆盖技术是一项有效的增产低碳技术。不同耕作措施下农田投入造成的碳排放为ctrtsstsnts,nts分别比ct、rts和sts碳减排168.78和75.01和59.50kgcha-1;免耕秸秆覆盖促进了冬小麦-夏玉米农田生态系统土壤碳固定,冬小麦-夏玉米农田土壤总体碳固定大小顺序依次分别为ntsstsrtsct。5.保护性耕作措施下冬小麦-夏玉米生态系统碳平衡及能量利用效率分析对保护性耕作措施下冬小麦-夏玉米生态系统碳平衡进行分析,结果表明:冬小麦-夏玉米生态系统在保护性耕作措施下均表现出固碳,但传统翻耕措施下却表现为碳排放。并且不同耕作方式下净碳排放值差异显著,2013-14和2014-15年nts、rts、sts处理下冬小麦-夏玉米生态系统比ct分别多固碳2.53、1.05、1.24tcha-1yr-1和6.14、4.66、4.85tcha-1yr-1,3种保护性耕作措施较传统翻耕能够降低冬小麦-夏玉米农田生态系统能量投入,是维持和提高该生态系统能量利用效率的有效途径。6.保护性耕作措施下西北旱作麦玉两熟区土壤固碳机理分析为了从微生物角度探究保护性耕作措施的固碳机理,本研究采用18srrna分析了保护性耕作措施下西北旱作麦玉两熟区土壤丛枝菌根(arbuscularmycorrhizal,am)真菌多样性,并且利用主成分分析法分析了该地区土壤有机碳含量和am菌多样性的相关关系,结果显示:nts较ct处理能够增加丛枝菌根真菌属septoglomus和glomus的百分含量,但是却降低了glomerales属的百分含量,nts处理较ct能够增加大团聚体和小团聚体含量。与CT处理相比,NTS处理依次分别增加了各个粒径土壤有机碳含量9.2-91.1%。并且NTS较CT处理增加了土壤团聚体平均重量直径9.8%。土壤有机碳含量与Septoglomus和Glomus属百分含量显著正相关;大团聚体含量是影响该地区有机碳含量的主要因素。因此,土壤呼吸速率表现出明显的季节变异性,并且两年作物生长季呼吸总量在不同耕作措施下均表现为STSRTSCTNTS,作物不同生育期不同耕作措施下根系呼吸所占比例不同。通过对农田耕作系统能/碳平衡综合分析可以看出,保护性耕作措施下可能用少投、节能和减少土壤扰动来增加土壤有机碳、经济效益以及通过提高能量利用效率来提高农田生态系统土壤固碳减排净效应,其中免耕覆盖处理更有利于西北旱作冬小麦-夏玉米农田生态系统的固碳,而深松还田处理的增产增收效益要大于免耕地、旋耕地和翻耕地。NTS处理有利于保护AM真菌群落组成从而有利于该地区农业的可持续发展。目前西北旱作冬小麦-夏玉米田还主要依靠化肥来增加产量,从可持续农业发展的角度看,提高肥料利用率从而减少化肥投入与选择合适的农业管理措施(如秸秆还田等)是温室气体减排的根本举措。此外,本研究为短期的田间试验,今后可定点研究长期不同耕作措施对土壤有机碳的影响。
【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】：2017
【分类号】：S513;S512.11

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本文编号：1258095