垄作集水和秸秆覆盖对东北玉米带黑土区玉米生长和水氮利用的影响

【摘要】：东北玉米带是中国重要的粮食生产基地,玉米产量占全国总产量的32%,年产玉米秸秆大约5000万吨。不合理的秸秆处理方式不但造成资源浪费,还会引起严重的大气污染。东北玉米带属于中温带半湿润大陆性气候。降雨的年际及年内变率大,分配不均,季节性干旱是影响玉米生长的主要因素。本文希望能够通过垄作集水和秸秆覆盖措施解决当地的季节性干旱问题,并且能够指导农民合理处理玉米生产中产生的大量秸秆。本研究在雨养条件下设置了垄作集水及秸秆覆盖处理,对玉米生长及水氮利用进行了系统性的研究。本研究于2011年和2012年在中国农业大学吉林梨树实验站进行,田间试验设置了4个处理,分别为平作对照处理(FB),平作秸秆覆盖处理(FM),膜垄无覆盖处理(RFB)和膜垄沟内覆盖秸秆处理(RFM)处理。在田间试验基础上,运用RZ-SHAW模型模拟1980-2010年不同年份、秸秆覆盖量、初始含水量及其交互作用对玉米产量和水分利用的影响。主要研究结果如下： (1)2011和2012年降雨量分别为371和410mm,玉米生长过程都没有受到水分胁迫的影响。垄作集水措施和秸秆覆盖措施都能够明显改善玉米种植区土壤水分条件,增加水分入渗深度。RFB和RFM处理明显提高了玉米根区土壤相对含水量,沟内有无秸秆覆盖对玉米根区土壤相对含水量的影响较小。FM处理显著提高了玉米苗期和拔节期根区土壤相对含水量,对中后期的土壤水分没有显著影响。 (2)垄作集水和秸秆覆盖措施显著影响玉米生育前期土壤温度。相对于FB处理,RFB处理显著提高苗期玉米种植区土壤温度,但沟内覆盖秸秆则显著降低了玉米种植区土壤温度。秸秆覆盖FM处理显著降低玉米苗期和拔节期土壤温度。 (3)垄作集水和秸秆覆盖措施对土壤无机氮的影响较小。仅在2012年产生差异。垄作集水和秸秆覆盖措施都显著降低了玉米拔节期和灌浆期土壤表层无机氮含量。垄作集水措施显著提高了土壤氮净矿化量,但显著降低了玉米吸氮量。秸秆覆盖措施显著降低了土壤氮净矿化量,对其它氮平衡项没有显著影响。 (4)垄作集水措施显著降低了玉米耗水量,2011年使水分利用效率提高12-13%,但2012年使玉米减产30%-33%,水分利用效率降低24%-28%,氮利用效率降低38%-39%。垄作集水沟内有无秸秆覆盖对玉米产量和水氮利用效率没有显著影响。秸秆覆盖措施对玉米总耗水量没有显著影响。2011-2012年使玉米减产18%-26%,水分利用效率降低16%-21%,氮利用效率降低21%-27%。因此,在水分条件较好的年份,垄作集水和秸秆覆盖措施不被推荐采用。 (5)利用2011年对照FB处理和秸秆覆盖FM处理的田间试验数据确定了在东北黑土上运用RZ-SHAW模型模拟秸秆覆盖效果的参数。各层土壤体积含水量的模拟值和实测值的均方根误差(RMSE)为0.009-0.045和0.015-0.047cm3cm-3,生物量的模拟值与实测值的RMSE分别为1692和785kg ha-1,叶面积指数的模拟值和实测值的RMSE分别为0.653和0.500,玉米产量的模拟值和实测值的RMSE分别为220和118kg ha-1。利用2012年FB与FM处理的田间试验结果验证模型参数,各层土壤体积含水量的模拟值与实测值的RMSE分别为0.015-0.027和0.013-0.029cm3cm-3,生物量的模拟值与实测值的RMSE分别为2580和1362kg ha-1,叶面积指数的RMSE分别为0.484和0.382,玉米产量的模拟值和实测值分别为495和190kg ha-1。说明RZ-SHAW模型适用于在东北黑土上模拟秸秆覆盖措施。 (6)运用RZ-SHAW模型模拟了1981-2010年不同年份、覆盖量、初始含水量及其交互作用对玉米产量和水分利用效率的影响。结果表明不同年份的玉米产量与降雨量、最高日均温、日辐射和平均相对湿度显著相关。30年的模拟结果表明,秸秆覆盖增产的年份占17%,减产的年份占13%,70%的年份没有显著影响；提高水分利用效率的年份占33%,降低水分利用效率的年份占10%,57%的年份没有显著影响。玉米产量和水分利用效率不仅与生育期内的水分条件有关,还与初始含水量水平有关,若播期土壤含水量太低,则应考虑水分补给以保证当季玉米产量和水分利用效率。无论从玉米产量还是水分利用效率角度分析,80%田持是最优的初始含水量水平,若采用秸秆覆盖措施,则6tha-1的覆盖量是保证玉米产量和水分利用效率的最佳覆盖量水平。 【关键词】：东北黑土 玉米 垄作集水 秸秆覆盖 RZ-SHAW模型
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S513
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 插图目录11-13
• 附表目录13-14
• 术语表14-15
• 第一章 引言15-25
• 1.1 研究意义15
• 1.2 国内外研究现状15-23
• 1.3 研究目标和内容23
• 1.4 研究方法和技术路线23-25
• 第二章 材料与方法25-38
• 2.1 研究区概况25-26
• 2.2 试验设计和田间管理26-27
• 2.3 测定项目与资料获取27-28
• 2.4 计算方法28-30
• 2.5 RZWQM-SHAW模型30-37
• 2.6 统计方法37-38
• 第三章 垄作集水及秸秆覆盖措施对土壤水热状况的影响38-46
• 3.1 土壤体积含水量时空变化规律38-39
• 3.2 玉米生育期内根区土壤相对含水量动态变化规律39-41
• 3.3 玉米生育期内土壤温度动态变化规律41-44
• 3.4 讨论44-45
• 3.5 小结45-46
• 第四章 垄作集水及秸秆覆盖措施对土壤无机氮状况的影响46-54
• 4.1 垄作集水及秸秆覆盖措施对各层土壤无机氮含量的影响46-49
• 4.2 垄作集水及秸秆覆盖对不同生育期玉米根区土壤无机氮含量的影响49-51
• 4.3 垄作集水及秸秆覆盖对玉米生育期内土壤氮平衡的影响51-52
• 4.4 讨论52-53
• 4.5 小结53-54
• 第五章 垄作集水及秸秆覆盖对玉米生长及水氮利用的影响54-65
• 5.1 垄作集水及秸秆覆盖对玉米株高的影响54-56
• 5.2 垄作集水及秸秆覆盖对玉米不同生育期生物量的影响56-57
• 5.3 垄作集水及秸秆覆盖对玉米不同生育期叶面积指数的影响57-58
• 5.4 垄作集水及秸秆覆盖对玉米耗水规律及水分平衡的影响58-61
• 5.5 垄作集水及秸秆覆盖对玉米产量及水氮利用效率的影响61-63
• 5.6 讨论63-64
• 5.7 小结64-65
• 第六章 应用RZ-SHAW模型模拟秸秆覆盖对玉米产量和水分利用的影响65-91
• 6.1 模型校验结果65-72
• 6.2 模型应用72-89
• 6.3 小结89-91
• 第七章 结论与建议91-93
• 7.1 主要结论91-92
• 7.2 创新点92
• 7.3 建议92-93
• 参考文献93-102
• 致谢102-103
• 作者简历103-104

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