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长期不同施肥对东北玉米产量和土壤肥力及温室气体排放的影响研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 作物产量变化及可持续性

1.2.2 长期施肥对土壤肥力的影响

1.2.3 施肥对农田土壤CO2、N2O和CH4排放的影响

1.3 研究目的和意义

1.4 研究内容

1.4.1 长期施肥下玉米产量变化特征及可持续性

1.4.2 长期施肥对黑土土壤肥力的影响

1.4.3 长期施肥对土壤温室气体排放的影响

1.5 技术路线

参考文献

第二章 长期施肥下玉米产量的变化及可持续性

2.1 材料与方法

2.1.1 试验地概况

2.1.2 试验材料与处理

2.1.3 测定指标与方法

2.1.4 数据处理与分析

2.2 结果与分析

2.2.1 玉米产量的变化及肥料效应

2.2.2 玉米产量的可持续性与稳定性

2.2.3 土壤养分自然供应能力

2.2.4 土壤生产力贡献率及增产贡献率

2.3 讨论

2.4 小结

参考文献

第三章 不同施肥方式对玉米干物质累积和氮素吸收利用的影响

3.1 材料与方法

3.1.1 试验地概况

3.1.2 试验材料与处理

3.1.3 测定指标与方法

3.1.4 数据处理与分析

3.2 结果与分析

3.2.1 玉米株高的变化

3.2.2 玉米叶面积指数的变化

3.2.3 玉米干物质累积的变化

3.2.4 植株氮素吸收累积的变化

3.2.5 植株各器官氮素转移的变化

3.2.6 氮素利用效率的变化

3.2.7 耕层土壤无机氮的变化

3.3 讨论

3.4 小结

参考文献

第四章 不同施肥方式下农田土壤水热的变化特征

4.1 材料与方法

4.1.1 试验地概况

4.1.2 试验材料与处理

4.1.3 测定项目与方法

4.1.4 数据处理与分析

4.2 结果与分析

4.2.1 玉米生育期降水与气温的变化

4.2.2 不同施肥方式下土壤温度的变化

4.2.3 不同施肥方式下土壤水分的变化

4.3 讨论

4.4 小结

参考文献

第五章 长期不同施肥下土壤碳氮的变化特征

5.1 材料与方法

5.1.1 试验地概况

5.1.2 试验材料与处理

5.1.3 测定指标与方法

5.1.4 数据处理与分析

5.2 结果与分析

5.2.1 土壤有机碳的变化

5.2.2 土壤活性有机碳的变化

5.2.3 土壤全氮的变化

5.2.4 土壤碱解氮的变化

5.2.5 剖面土壤硝态氮的变化

5.2.6 土壤微生物碳氮的变化

5.2.7 耕层土壤碳氮含量与玉米产量的关系

5.3 讨论

5.4 小结

参考文献

第六章 长期不同施肥下土壤磷钾和pH值的变化特征

6.1 材料与方法

6.1.1 试验地概况

6.1.2 试验材料与处理

6.1.3 测定指标与方法

6.1.4 数据处理与分析

6.2 结果分析

6.2.1 土壤全磷的变化

6.2.2 土壤速效磷的变化

6.2.3 土壤全钾的变化

6.2.4 土壤速效钾的变化

6.2.5 耕层土壤磷钾含量与玉米产量的关系

6.2.6 剖面土壤pH值的变化

6.3 讨论

6.4 小结

参考文献

第七章 长期不同施肥下农田CO2、N2O和CH4的排放特征

7.1 材料与方法

7.1.1 试验地概况

7.1.2 试验材料与处理

7.1.3 测定指标与方法

7.1.4 数据处理与分析

7.2 结果与分析

7.2.1 农田土壤CO2排放特征

7.2.2 农田土壤N2O排放特征

7.2.3 农田土壤CH4排放特征

7.2.4 农田净综合温室效应(GWP)及排放强度(GHGI)

7.3 讨论

7.4 小结

参考文献

第八章 全文结论和展望

8.1 全文结论

8.2 研究创新点

8.3 研究展望

致谢

攻读博士期间发表的主要论文

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摘要

粮食安全和全球变暖是当今人类社会面临的重大挑战。为了兼顾经济效应和环境效应的双赢,采用良好的农业施肥措施来提高作物产量,并促进温室气体减排是当今作物生产的一个重大技术需求。施肥措施的长期效果是研究农业可持续发展的重要科学依据。本研究以始于1990年的国家(公主岭)黑土肥力与肥料效益长期定位试验为研究平台,以不施肥(CK)、单施氮肥(N)、施氮钾肥(NK)、施氮磷肥(NP)、施磷钾肥(PK)、施氮磷钾肥(NPK)、秸秆还田(SNPK)、氮磷钾配施有机肥(M1NPK)和高量有机肥与化肥配施(M2NPK)共9个处理为研究对象,探讨长期不同施肥措施下玉米产量的可持续性、土壤肥力变化、以及温室气体CO2、N2O和CH4的排放规律、综合温室效应和温室气体强度的差异,探讨其影响机制,拟为东北黑土区农业的可持续发展提供科学依据和技术支撑。结果如下:
  1.等氮量施肥M1NPK、SNPK和NPK三处理25年的玉米平均产量差异不显著,施化肥处理玉米平均产量排序为NPK>NP>NK>N>PK、CK。氮、磷和钾对玉米产量的农学效应差异显著,1kg化学氮肥、磷肥、钾肥的农学效率分别为33.0、16.3、5.1 kg。有机无机配施处理SYI值高,SYI在0.694~0.767间,作物产量可持续性好,而不平衡施肥和不施肥处理的可持续产量指数(SYI)值最低。CK、PK、N或NK处理玉米产量变异系数较大,产量稳定性差,分布在21.2%~36.9%间,而有机无机配施处理相对较小都在11.1%~14.1%间。黑土土壤对N、P和K平均供应能力分别为41.8%、85.6%和95.9%。单施N肥土壤平均生产力贡献率为68.9%,并有逐渐降低趋势,与PK配合施用土壤平均生产力贡献率为91.2%,NPK处理与等氮量施肥M1NPK和SNPK两处理平均生产力贡献率差异不显著。
  2.在玉米各生育时期,M1NPK处理氮素累积量均高于等氮量NPK和SNPK处理;成熟期,M1NPK、NPK、SNPK、N和CK处理植株氮素总累积量分别达到286.2、276.2、249.4、151.7和63.6 kg/hm2。 M1NPK、SNPK、NPK和N处理叶和茎鞘总氮素转移量分别为99.0、79.7、87.2和41.8 kg/hm2,总的转移氮素对籽粒的贡献率分别为25.5%、23.8%、23.6%和21.7%,其中M1NPK处理的总氮素转移量及其对籽粒氮贡献率最高,与其它处理差异显著。M1NPK氮素利用率、农学效率和氮肥偏生产力都显著高于化肥NPK处理,而化肥NPK处理与SNPK差异不显著,其中,M1NPK氮肥偏生产力和农学效率分别为65.4和44.6 kg/kg。
  3.不同施肥措施下耕层土壤日温度的变化均近似呈正弦函数变化,在整个生育期间,有机无机配施(M1NPK)处理下土壤日平均温度和累积温度低于化肥NPK处理;秸秆还田(SNPK)处理下土壤日平均温度、累积温度、日平均最高温度和日平均最低温度都显著低于化肥NPK处理(P<0.05),其日变化幅度也小于化肥NPK处理。CK处理下0~20cm表层土壤含水量低于其它处理,但30~90 cm层次土壤含水量明显高于其它处理(P<0.05);有机无机配施处理(M1NPK和SNPK)下30~90cm层次土壤含水量显著高于化肥NPK处理。有机无机配施M1NPK处理下,玉米水分利用效率显著高于化肥NPK处理(P<0.05);在干旱年份,秸秆还田(SNPK)水分利用效率高于化肥NPK处理。
  4.农家肥和化肥配施处理显著提高了表层土壤有机碳、活性有机碳、微生物碳氮、全氮和碱解氮含量。秸秆还田(SNPK)处理土壤有机碳含量波动不大,但其土壤活性有机碳较试验初增加了36.8%;SNPK土壤全氮基本稳定,但土壤碱解氮略有下降。不施肥(CK)和不平衡施肥处理(N和NP)表层土壤有机碳、活性有机碳、全氮和碱解氮含量均呈下降趋势。秸秆还田(SNPK)处理表层土壤微生物碳氮为最高,有机肥和化肥配施处理显著高于单施化肥处理土壤微生物碳氮。有机无机配施处理土壤有机碳和全氮的增加主要集中在0~40cm土层。与NPK处理比较,M2NPK、NP和N处理40cm土层以下硝态氮累积量有所增加,而等氮量施肥的M1NPK和SNPK处理硝态氮累积量有所减少,尤其SNPK处理在0~100cm土层硝态氮累积量都明显小于化肥NPK处理。
  5.长期有机无机肥配施处理能显著提高表层土壤全磷、速效磷和速效钾含量,而不施肥(CK)处理土壤全磷、速效磷和速效钾含量均有所下降;不施磷肥处理土壤全磷和速效磷含量呈下降趋势,而施磷效果截然相反;不施钾肥处理土壤速效钾呈下降趋势;施钾肥能显著提高土壤速效钾含量;但各处理对土壤全钾的影响没有差异。长期不同施肥对土壤酸化的影响主要集中在土层0-40cm,60cm土层以下各处理土壤pH值没有差异,单施化肥处理土壤pH值显著低于不施肥(CK)和有机无机配施处理,其中2012年NPK处理0-20cm表层土壤pH值比M2NPK和SNPK处理分别低1.6、2.17个单位。
  6.各施肥处理土壤CO2和N2O的排放高峰都出现在玉米拔节期。在整个玉米生育期,秸秆还田(SNPK)土壤CO2累积排放量为最高,达到5595.4 kg/ha,其次为农家肥和化肥配施(M2NPK)处理,CK处理为最低,仅为3147 kg/ha;有机无机肥配施SNPK和M2NPK处理土壤CO2排放通量和累计排放量显著高于施化肥处理。农家肥和化肥配施(M2NPK)处理土壤N2O排放量明显高于施化肥处理;施用化肥处理土壤N2O排放量明显高于不施肥(CK);秸秆还田(SNPK)处理土壤N2O排放量明显小于化肥NPK处理。有机无机肥配施(M2NPK和SNPK)处理土壤CH4净吸收量显著高于不施肥(CK)和N处理。从土壤净综合温室效应和总温室气体强度可分析出,与不施肥(CK)比较,偏施化肥N和NPK处理净综合温室效应(GWP)分别增加了109.8%和31.5%,SNPK净综合温室效应降低了13.2%;尤其是有机无机配施(M2NPK)处理净综合温室效应为负值,为净碳汇。平衡施肥(NPK)和有机无机肥配施(SNPK和M2NPK)温室气体的排放强度也最弱,显著低于不施肥(CK)和偏施化肥(N)处理,其中M2NPK和SNPK分别为-183.5、59.6kg CO2-e t-1。

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