论文部分内容阅读
在集约化生产模式下,过量施用氮肥、频繁耕作和秸秆不合理处置造成了华北平原冬小麦-夏玉米生产系统氮素利用效率低和温室气体排放等一系列的环境问题。在保持作物高产的前提下,如何优化氮肥、耕作和秸秆管理三种农田措施,提高氮素利用效率并降低温室气体排放是亟待解决的关键问题。为探讨上述三种农田措施对氮素利用效率和温室气体排放的影响,本研究以华北平原冬小麦-夏玉米集约化生产系统为研究对象,设置3×2×2因素的田间综合实验,包括氮肥[空白(CK)、优化(OPT)和常规(CON)]、耕作[免耕(NT)和旋耕(RT)]和秸秆[清茬(NS)和还田(S)]三种农田管理措施。通过监测作物生产、温室气体排放和土壤氨挥发,系统的分析了氮肥、耕作和秸秆及其交互作用对作物产量构成、氮素利用效率和温室气体排放的影响,并对土壤氮平衡进行初步分析。主要结果如下:(1)在本研究中,基于氮肥、耕作和秸秆还田三种农田管理措施,对于冬小麦生产来说,主要是通过提高单位面积穗数来提高产量,夏玉米产量的增加主要是因为增加了穗数和千粒重。与常规措施(常规施氮肥、旋耕和清茬措施)相比,优化施氮肥、免耕和秸秆还田措施的冬小麦穗数分别增加了 7.81%、7.12%和10.3%,产量增加了 1.32%、6.34%和4.33%。耕作×秸秆对冬小麦产量有交互作用,其中NT×S措施比其他耕作和秸秆措施平均增加14.6%,主要是因为冬小麦穗数比其他措施增加20.9%。氮肥×秸秆对冬小麦产量影响不显著,但OPT×S措施的小麦产量比其他氮肥和秸秆措施增加6.38%。与常规措施(旋耕和清茬)相比,免耕和秸秆还田措施通过增加夏玉米的千粒重和穗数,使产量分别增加了 2.71%和4.26%,尤其是降雨较少的2014年玉米季。优化氮肥水平能够保持与常规氮肥水平相当的夏玉米产量。氮肥、耕作和秸秆三因素对夏玉米产量因素没有交互作用,但2014年玉米季NT×S的千粒重比其他措施显著增加9.32%。(2)与常规施氮肥、旋耕相比,优化施氮肥和免耕都能够显著提高氮素利用效率,而秸秆措施作用不显著。与常规施氮肥相比,优化施氮肥措施降低了 35%氮肥施用量,但是具有相同水平的作物产量和吸氮量,因此优化施氮肥措施的氮素利用率(Nitrogen utilization efficiency,NUE)、表观氮素利用率(apparent Nitrogen utilization efficiency,ANUE)、氮素回收率(Nitrogen recovery efficiency,REN)和偏生产力(Partial factor productivity of fertilizer Nitrogen,PFPN)分别比常规施氮肥措施增加37.5%、44.9%、35.1%和51.6%。在免耕措施下,夏玉米籽粒吸氮量比RT高4.34%,NUE和ANUE也得到显著增加,REN也有增加的趋势,耕作措施对冬小麦的氮素利用效率影响不显著。氮肥×耕作对玉米季NUE有交互作用,其中OPT×NT的NUE比其他施肥和耕作措施平均高72.8%。耕作×秸秆对小麦季ANUE有交互作用,其中NT×S措施比其他耕作和秸秆措施高11.4%。(3)优化氮肥配合免耕和秸秆还田可有效降低温室效应和排放强度。肥料投入、灌溉和N2O排放是冬小麦-夏玉米生产体系的主要温室气体来源,分别占总温室效应的49.1%、25.8%和14.4%。与常规施氮肥措施相比,在优化施氮肥条件下,小麦季和玉米季N2O累积排放量分别降低36.4%和31.1%,免耕的小麦季和玉米季N2O排放量分别比旋耕高20.8%和75.0%,秸秆措施对土壤N2O排放影响不显著。在常规氮肥水平下,秸秆还田的小麦季和玉米季N2O累积排放量分别比清茬高47.8%和31.3%,但是在优化氮肥水平下,与清茬措施相比,秸秆还田的玉米季N2O累积排放量降低20.0%,清茬与还田对小麦季N20累积排放量影响不显著。土壤对CH4为吸收状态,但是CH4温室效应仅相当于N20的2.92%。优化施氮肥措施的农田温室效应和农田温室气体排放强度(GHGI)分别比常规施氮肥低33.8%和32.9%。与旋耕措施相比,免耕措施显著增加了玉米季的农田温室效应(76.4%)和农田温室气体排放强度(72.4%),而对小麦季影响不显著。秸秆措施对农田温室效应和农田温室气体排放强度没有显著影响。与清茬和优化施氮肥相比,秸秆还田和常规施氮肥都显著增加了总温室效应(8.77%和28.1%),而免耕的小麦季总温室效应比旋耕低6.70%,耕作措施对玉米季的总温室效应影响不显著。耕作和秸秆管理对总温室气体排放强度没有显著影响,优化施氮肥措施因为降低了间接温室气体排放,所以总温室气体排放强度比常规施氮肥措施低21.4%。(4)对试验期间(2013-2014)一米土体土壤氮库的平衡估算表明,在秸秆不还田条件下,一年间氮库分别增加98.5(OPT)和146.2 kgNha-1(CON),而在秸秆还田条件下,该增加量分别为206.4(OPT)和281.8 kg N ha-1(CON),说明秸秆还田是造成该地区土壤氮库差异的主要原因,且在高量施肥(CON)为690kgNha-1条件下,氮素投入远远超过作物需求,其造成的土壤氮库增加也远远超过优化施肥(OPT=450kgNha-1),超过量分别为47.7(秸秆不还田)和75.3 kgNha-(秸秆还田),因此,和优化施肥相比,高量施肥除了造成更高的氨挥发和更高的氮淋溶以外,也造成更高的土壤氮库积累。这种积累,有利方面是利于作物吸收,不利方面是氨挥发、温室气体和氮淋溶风险加大。不施肥条件下,华北平原每年的土壤氮库亏缺在10-53 kg Nha-1之间,说明化肥氮投入对于作物高产稳产是必须的。对于土壤氮库的增加中,以小麦季为主,玉米季节由于较高的氮淋溶,反而表现为表观上的氮库亏缺。对于土壤无机氮库,冬小麦季作物收获后减少,而夏玉米季作物收获后则增加;而对于土壤有机氮库则呈相反规律,冬小麦季有较大程度增加,夏玉米季有机氮库大幅度减少。研究还表明,秸秆还田对于氨挥发没有体现出影响,优化施氮肥措施的土壤氨挥发显著低于常规施氮肥措施41.6%。本研究证明华北平原优化施氮肥配合免耕秸秆还田增加了冬小麦的穗数和夏玉米的穗数和千粒重,提高作物产量。在优化施氮肥条件下,秸秆还田可以有效降低农田土壤直接和间接温室气体排放。对于0-1 m 土体的无机氮库,冬小麦季作物收获后减少,而夏玉米季作物收获后则增加,而土壤有机氮库则呈相反规律,冬小麦季有较大程度增加,夏玉米季有机氮库大幅度减少。秸秆还田对于氨挥发没有体现出影响。