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基于多尺度分析的黄土高原保护性耕作系统下作物产量、土壤碳库与经济效益研究

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保护性耕作是提高旱作农业系统水分利用效率、培肥地力、改善土壤质量的重要措施，但其效应因地区与气候条件不同而异。围绕黄土高原地区保护性耕作体系中作物产量效应、水分利用状况以及土壤碳库变化等关键内容，本研究首先采用文献调研结合Meta定量分析的方法明确了“面”尺度上黄土高原保护性耕作措施下主要作物的产量效应、水分利用特征以及有机碳库的变化；其次，通过11a长期定位观测试验，在“点”尺度上系统研究了传统耕作处理（T）、传统耕作配合秸秆覆盖处理（TS）、免耕处理（NT）和免耕配合秸秆覆盖处理（NTS）对玉米（Zea mays L.）-冬小麦（Triticum aestivum L.）-大豆（Glycine max L.）轮作系统作物产量、水分利用效率和综合经济效益等影响，并采用支持向量机模型（Support Vector Machine，SVM）对轮作系统的作物产量和水分利用效率等进行了模拟。揭示了保护性耕作措施提质增效的机理和过程，对于该措施的大面积推广应用具有理论和实践指导意义。研究获得如下主要结果： 1. 通过Meta分析对黄土高原地区保护性耕作效应的试验结果研究可知，与T处理相比，TS和NTS处理下小麦产量分别增加了9.7%和14.3%（P<0.05），NTS处理下豌豆（Pisum sativum L.）产量增加了29.5%（P<0.05），NT处理下大豆产量有减少趋势（P>0.05）；与T处理相比，TS处理下玉米水分利用效率提高了12%，TS和NTS处理下小麦水分利用效率分别增加了8.3%和11.6%（P<0.05），豌豆水分利用效率分别增加了10.8%和20.7%（P <0.05），而NT处理下大豆水分利用效率有降低趋势（P >0.05）。对于土壤有机碳含量而言，与 T 处理相比，TS和NTS处理下表层（0-10 cm）土壤有机碳含量显著提高了11.7%和20.2%（P<0.05），而NT处理下土壤有机碳含量的增长趋势不显著（P>0.05）。 2. 长期定位研究结果表明：TS处理玉米籽粒产量、地上生物量分别比T、NT和NTS处理提高5.5%、13.1%和7.8%，冬小麦籽粒、秸秆产量和地上生物量在T、TS和NTS处理间无显著差异，但TS处理分别显著高于NT处理11.4%、12.7%和 12.2%。秸秆覆盖显著提高了大豆的籽粒产量和地上生物量，耕作处理下作物的水分利用效率显著高于免耕处理。通过支持向量机模型（Support Vector Machine，SVM）验证结果表明：冬小麦、玉米以及大豆籽粒产量拟合R2值分别是0.83、0.76和0.56；水分利用效率拟合R2值分别是0.84、0.71和0.68，模型预测值和实测结果基本吻合，进一步明晰了影响作物产量和水分利用效率的主要驱动因子，为揭示保护性耕作的保水增产机理和评价其在不同自然条件下的适应性提供了依据。 3. 长期定位试验表明，0-30 cm四个层次土壤有机碳含量的变化趋势均表现为NTS、TS、NT较T处理有显著提高（P<0.05），在表层尤为明显。0-200 cm土层碳库活度、碳库指数和碳库管理指数在 NTS 处理下最高。长期固碳效益表明，NTS处理在耕作层（0-30 cm）年固碳能力为二氧化碳（CO2）29.55 t/hm2，按照2016年北京碳交易市场年均成交价计算，NTS处理的农田年均固碳收益为1483元/hm2。 4. 能量分析结果表明，在玉米-冬小麦-大豆轮作系统中，TS 处理的总能量投入、总能量产出和净能值均为最高，分别为 194.9 GJ/hm2、377.42 GJ/hm2和329.07 GJ/hm2，其净能值分别高于T、NT和NTS处理6.4%、9.1%和1.0%；经济效益分析结果表明，TS处理的年均投入和产出最高，分别为11019元/hm2和21563元/hm2，NTS处理年均净收益为5952元/hm2，分别比T、TS和NT处理高出26.3%，12.9%和15.7%。 综上，在黄土高原地区开展保护性耕作可以显著增加作物产量、提高水分利用效率以及提升土壤固碳潜力，具有重要的经济和农业生态价值，在该地区具有广阔的应用前景。

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