黄土高原雨养区不同耕作方式、氮肥水平及秸秆覆盖对小麦生产力及温室气体（CO_2、N_2O）的影响

【摘要】：在旱作生态系统中，温室气体尤其是二氧化碳和氧化亚氮排放浓度的增加显著影响生态环境。这些气体浓度的增加不但有损健康的环境，同时损害了整个生产系统的可持续性。本研究设计了一个2年试验，旨在探讨不同耕作方法（深松耕，免耕，旋耕和翻耕）、覆盖水平（M0：无玉米秸秆覆盖，M1：有玉米秸秆覆盖）和氮肥水平（0，80，160，240和320公斤/公顷）对黄土高原旱作农区温室气体（CO_2和N_2O）排放和小麦作物生产力的影响。本试验为三因素裂区试验设计，以耕作方式为主区、覆盖为裂区、N素水平为再裂区。CO_2排放量使用便携式GXH-3010E1气体分析仪测定，在2年试验中每周测定一次，而N_2O排放仅在2011-12年对旋耕处理进行测定。同时测定SOC，土壤全氮，土壤酶，土壤pH值，土壤湿度，土壤温度等土壤理化特性，作物生长，作物光合，以及气温度，相对湿度和风速等不同的环境因素，杂草虫害，肥料利用效率和经小麦产量及经济效益也进行了记录。 旋耕措施下CO_2排放量最高，与此相反，免耕措施下CO_2排放量最小。对于各氮肥水平，施氮量160公斤/公顷时的二氧化碳排放最低。2年试验中，2010-11年二氧化碳排放量高于2011-12。在2010-11年种植期间，作物秸秆覆盖显著增加了CO_2的排放量，然而在2011-12种植期间，在两种覆盖条件下，排放量相同。在耕作后，二氧化碳排放量迅速上升。降雨、空气温度等环境因素，土壤温度，土壤水分，SOC，C/N比，土壤土壤脲酶和土壤蔗糖酶均显著影响二氧化碳排放量。 连续使用氮肥增加了N_2O向大气排放。2011-12年，旋耕法N_2O排放被记录。使用作物秸秆覆盖和未使用作物秸秆覆盖两个不同覆盖水平被使用。五种不同氮肥水平包括N0（0，公斤/公顷），N1（80公斤/公顷），N2（160公斤/公顷），N3（240公斤/公顷）和N4（320公斤N/公顷）被使用。最大的N_2O排放量出现在小麦种植的前三个星期。除N3（240公斤N/公顷）之外，其他氮肥处理条件下作物秸秆覆盖处理降低了N_2O的排放量。在整个生育期，最小的N_2O排放出现在N1（8O公斤/公顷）水平。除N3（240公斤/公顷），其它氮肥水平情况下应用作物秸秆覆盖增加了粮食产量。所以，可以得出结论，适当的氮肥水平结合作物秸秆覆盖对环境和经济效益有益。 在孕穗期，抽穗期，籽粒形成期，作物成熟期等不同的作物生长阶段记录光合作用的数据。免耕处理表现出最大光合作用，其次为深松耕，同时旋耕和翻耕作情况下表现出最低光合作用。在作物生长的后期，秸秆覆盖提高了光合作用。同样，与N0相比，氮肥水平提高增加了光合作用，但当光合作用增加到一定限度后，氮肥施用对光合作用的提升效果并不显著。结果表明，保护性耕作、覆盖和应用适当的氮肥可以提高光合作用，这可以帮助在雨养生态条件下获得更多的粮食产量。 降雨时间和降雨量显著影响粮食产量和水分利用效率，但整体而言，籽粒、整株以及降雨的最大水分利用效率分别为26.2公斤/公顷，和降雨的51.5千克/公顷和40.3公斤/公顷，均出现在免耕处理，其次为深松耕处理。秸秆覆盖水分利用效率与未覆盖处理相等。虽然两年度间降水利用效率在不同的氮肥水平间表现不同，但两年的平均值表明80公斤N/公顷的施氮量处理的水分利用效率最高。数据表明，免耕技术是获得最大水分利用效率的适宜耕作方法。 使用不同的耕作方法和玉米秸秆覆盖技术提高了土壤中有机碳的含量，尤其是在0-10厘米土壤深度的有机碳含量。这有助于减少二氧化碳的排放。不同年间降雨时间和雨量的不同，导致谷物的产量显著变化。产量的不同也源于不同的生产管理方法，比如使用不同的耕作方法以及施用不同的氮肥，这些因素都显著地影响小麦产量。由于降雨含量不同，2010-2011年最大产量为免耕处理的6.58吨/公顷以及80公斤/公顷氮肥水平的6.72吨/公顷。2011-2012年采用同样的耕作方法，而最高产量出现在320公斤/公顷氮肥水平下，为7.46吨/公顷。根据两年的平均水平，与其他耕作方式或氮肥水平相比，免耕和80公斤N/公顷氮肥水平获得最大的粮食产量，即6.75吨/公顷和6.80吨/公顷。与未使用秸秆覆盖处理相比，使用秸秆覆盖于可减少高达40%的杂草侵扰。经济分析表明，适当免耕种植方法、使用秸秆覆盖和根据预计降雨最低限度地使用氮肥，不仅减少了温室气体的排放量，并且随着土壤环境的改善，减少了除草剂的使用。 可见，在免耕，作物秸秆覆盖的基础上根据预计降雨量使用最少量的氮肥是既经济又环保的栽培耕作措施。 【关键词】：耕作方式 秸秆覆盖 氮肥 温室气体 小麦生产力
【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】：2013
【分类号】：S512.1;S314
【目录】：

• ABSTRACT5-8
• 摘要8-15
• 1. Introduction15-18
• 2. Review of Literature18-25
• 3. Materials and methods25-39
• 3.1 Experimental site25
• 3.2 Experimental design and treatments25-26
• 3.3 Measurements26-27
• 3.4 Statistics27
• 3.5 Monitoring of CO_2emissions27-29
• 3.6 Soil moisture measurements for CO_2emissions rates29
• 3.7 Monitoring of emission of N_2O29-31
• 3.8 Soil organic carbon (SOC) measurements31
• 3.9 Total soil Nitrogen31-32
• 3.10 Soil pH32
• 3.11 Soil Urease32-33
• 3.12 Soil Invertase33-34
• 3.13 Soil Bulk density34
• 3.14 Soil Porosity34
• 3.15 Soil Compactness34-35
• 3.16 Weeds infestation35
• 3.17 Water use efficiencies35-36
• 3.18 Nitrogen use efficiencies36
• 3.19 Crop growth rates measurements36
• 3.20 Flag leaf area36-37
• 3.21 Flag leaf chlorophyll contents37
• 3.22 Photosynthesis data37-39
• 4. Results & Discussion39-219
• 4.0 Emissions of CO_239-60
• 4.0.1 Soil CO_2fluxes39
• 4.0.2 Effects of tillage methods on the emissions of CO_239-40
• 4.0.3 Effects of cropping years on the emissions of CO_240
• 4.0.4 Effects of mulches on the emissions of CO_240
• 4.0.5 Effects of N fertilizer levels on the emissions of CO_240
• 4.0.6 Cumulative emissions of CO_240-42
• 4.0.7 Soil temperatures versus emissions of CO_242
• 4.0.8 Soil moistures versus emissions of CO_242
• 4.0.9 Soil organic carbon versus emissions of CO_242-43
• 4.0.10 Effects of seasonal variations on the emissions of CO_243
• 4.0.11 Discussion43
• 4.0.12 Soil CO_2fluxes43-44
• 4.0.13 Effects of tillage methods on the emissions of CO_244
• 4.0.14 Effects of corn residue mulch on the emissions of CO_244-45
• 4.0.15 Effects of N fertilizer levels on the emissions of CO_245-46
• 4.0.16 Effects of cropping years on the emissions of CO_246-47
• 4.0.17 Effects of soil temperatures, soil moistures and soil organic carbons on the emissions of CO_247-60
• 4.1 Emissions of Nitrous oxide (N_2O)60-71
• 4.1.1 Results61-71
• 4.2 Soil Bulk density71-74
• 4.3 Soil Porosity74-76
• 4.4 Soil Compactness76-78
• 4.4.1 Results & Discussion77-78
• 4.5 Soil pH78-82
• 4.5.1 Changes in soil pH from the 0-10 cm soil depth79-80
• 4.5.2 Changes in soil pH from the 10-20 cm soil depth80-81
• 4.5.3 Effects of different planting years81
• 4.5.4 Effects of Mulch kinds81
• 4.5.5 Effects of N fertilizer levels81-82
• 4.6 Changes in soil pH from the 20-40 cm soil depth82-87
• 4.6.1 Effects of tillage methods82
• 4.6.2 Effects of different planting years on the soil pH82
• 4.6.3 Effects of mulch kinds on soil pH82
• 4.6.4 Effects of N fertilizer levels on the soil pH82
• 4.6.5 Changes in soil pH due to the different tillage methods X mulch kind’s interactions82
• 4.7.6 Changes in soil pH due to different tillage methods X N fertilizer levels interactions82-83
• 4.6.7 Changes in the soil pH due to different tillage methods X planting years interactions83
• 4.6.8 Changes in soil pH in case of planting years X tillage methods interactions83
• 4.6.9 Changes in soil pH in case of planting years X N fertilizer levels interactions83
• 4.6.10 Changes in soil pH due to the different mulch kinds X N fertilizer levels interactions83-87
• 4.7 Soil Organic Carbon (SOC) status of the soil87-99
• 4.7.1 Effects of tillage methods on the SOC88
• 4.7.2 Effects of Plating years on the SOC88
• 4.7.3 Effects of mulch kinds on the SOC88
• 4.7.4 Effects of N fertilizer levels on the SOC88-89
• 4.7.5 Changes in Soil Organic Carbon (SOC) from 0-10 cm soil depth89-90
• 4.7.6 Changes in Soil Organic Carbon (SOC) from 10-20 cm soil depth90-92
• 4.7.7 Changes in Soil Organic Carbon (SOC), contents from the 20-40 cm soil depth92-93
• 4.7.8 Average changes in Soil Organic Carbon (SOC), contents from 0-40 cm soil depth93-99
• 4.8 Total soil Nitrogen99-112
• 4.8.1 Changes in total soil Nitrogen from 0-10 cm soil depth99-101
• 4.8.2 Changes in soil Nitrogen from the 10-20 cm soil depth101-103
• 4.8.3 Changes in total soil Nitrogen from 20-40 cm soil depth103-105
• 4.8.4 Average changes in total soil Nitrogen from the 0-40 cm soil depth105-112
• 4.9 Changes in soil C/N Ratio112-122
• 4.9.1 Changes in soil C/N ratio in case of 0-10 cm soil depth112-114
• 4.9.2 Changes in soil C/N ratio in case of 10-20 cm soil depth114-116
• 4.9.3 Changes in soil C/N ratio in case of 20-40 cm soil depth116-117
• 4.9.4 Changes in soil C/N ratio in case of 0-40 cm soil depth117-122
• 4.10 Changes in soil organic matter (SOM) due to the different management practices during the two planting years (2010-12)122-132
• 4.10.1 Changes in soil organic matter (SOM) from the 0-10 cm soil depth124-125
• 4.10.2 Changes in Soil Organic Matter (SOM) from the 10-20 cm soil depth125-132
• 4.11 Soil enzymes132-140
• 4.11.1 Urease133-135
• 4.11.2 Changes in soil enzyme Urease on the 5 leaf stage from the 10-20 cm soil depth135-137
• 4.11.3 Effects of different tillage methods on the soil enzyme Urease from the 20-40 cm soil depth137-140
• 4.12 Urease on Harvesting Stage140-148
• 4.12.1 Status of soil enzyme Urease on the wheat crop harvesting stage from the 0-10 cm soil depth140-142
• 4.12.2 Status of soil enzyme Urease on the wheat crop harvesting stage from the 20 cm soil depth142-144
• 4.12.3 Changes in soil enzyme Urease on the wheat crop harvesting stage from the 20-40 cm soil depth144-148
• 4.13 Soil Invertase on the 5 leaf stage148-155
• 4.13.1 Status of soil enzyme Invertase on the 5 leaf stage from the 0-10 cm soil depth148-150
• 4.13.2 Status of soil enzyme Invertase on the 5 leaf stage from the 10-20 cm soil depth150-152
• 4.13.3 Status of soil enzyme Invertase on the 5 leaf stage from the 20-40 cm soil depth152-155
• 4.14 Status of soil enzyme Invertase on the wheat crop harvesting stage155-162
• 4.14.1 Status of soil enzyme Invertase on the wheat crop harvesting stage from the 0-10 cm soil depth155-157
• 4.14.2 Status of soil enzyme Invertase on the wheat harvesting stage from the cm soil depth157-159
• 4.14.3 Status of soil enzyme Invertase on the wheat crop harvesting stage from the 20-40 cm soil depth159-162
• 4.15 Changes in wheat crop growth due to the different management practices during the two cropping years (2010-12)162-163
• 4.16 Changes in flag leaf area, flag leaf chlorophyll’s contents and wheat crop photosynthesis and its related different processes on the different crop growth stages163-188
• 4.16.1 Flag leaf area164
• 4.16.2 Changes in flag leaf chlorophyll contents164-165
• 4.16.3 Changes in photosynthesis on the different crop growth stages165-166
• 4.16.4 Changes in Stomatal conductance’s on the different crop growth stages166-168
• 4.16.5 Changes in the Intercellular concentrations of carbon dioxide (Ci) on the different crop growth stages168-170
• 4.16.6 Changes in Transpiration rates on the different crop growth stages170-172
• 4.16.7 Changes in intrinsic water use efficiencies (WUEi ) on the different crop growth stages172-188
• 4.17 Weeds infestation188-194
• 4.18 Wheat crop yield194-201
• 4.19 Water use efficiencies201-210
• 4.19.1 Evapotranspiration201-203
• 4.19.2 Grains water use efficiency203-205
• 4.19.3 Biomass water use efficiency205-207
• 4.19.4 Rainfall water use efficiency207-210
• 4.20 Nitrogen use efficiencies210-213
• 4.21 Economics of planting of wheat crop by using the different crop management practices213-216
• 4.22 Correlations between the different related factors with the total emissions of CO_2216-219
• 4.22.1 Correlations of different soil parameters with the emissions of CO_2216-218
• 4.22.2 Correlations of crop photosynthesis with the total emissions of CO_2218
• 4.22.3 Correlations of different environmental factors with the total emissions of CO_2 204218-219
• 5. Conclusion219-223
• References223-239
• Acknowledgement239-241
• C.V241-242

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