【摘 要】
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砾石覆盖技术是我国西北地区一种独有的保护性耕作方法,不同于其它农田覆盖技术,其土壤水热条件也必然有所不同。目前,砾石覆盖在大田实践上的理论研究尚不完善,其影响作物生长及产量形成的机理还不明确。此外,砾石覆盖通过改善土壤水热条件,进而影响土壤碳氮转化及微生物呼吸过程,会对土壤的碳释放产生何种影响尚不清楚。据此,本文开展了连续2 a小麦—玉米轮作系统的大田试验,在监测土壤水热动态、温室气体排放的基础上
【基金项目】
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国家“863计划”作物生境过程耦合与调控技术（2013AA102904）； 国家自然科学基金项目（41301305）； 西北农林科技大学基本科研业务费专项资金项目（2014YB062,2452015355）；
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砾石覆盖技术是我国西北地区一种独有的保护性耕作方法,不同于其它农田覆盖技术,其土壤水热条件也必然有所不同。目前,砾石覆盖在大田实践上的理论研究尚不完善,其影响作物生长及产量形成的机理还不明确。此外,砾石覆盖通过改善土壤水热条件,进而影响土壤碳氮转化及微生物呼吸过程,会对土壤的碳释放产生何种影响尚不清楚。据此,本文开展了连续2 a小麦—玉米轮作系统的大田试验,在监测土壤水热动态、温室气体排放的基础上,评估砾石覆盖对作物生长、产量、生态系统生产力（NPP）、生态系统净交换（NEE）等的影响,并结合全球增温潜势（GWP）、温室气体排放强度（GHGI）、农田碳足迹（CF）和碳排放强度（CI）等指标,评估砾石覆盖技术的温室气体减排作用和碳足迹减缓潜力,并量化了砾石覆盖对多尺度水分利用效率的影响,包括四个不同水平的水分利用效率,即WUEveg（NPP/ET0）,WUEeco（NEP/ET）,WUEbio（生物量/ET）和WUEyield（经济产量/ET）。本研究可为评估砾石覆盖对农田生态效应和提高农田水分利用效率提供理论支撑。主要研究结论如下:（1）分析了5个砾石覆盖度水平下土壤温度和土壤贮水量的季节性变化规律以及不同深度土壤剖面水分运动规律和逐层温度变化规律,探讨农田土壤在砾石覆盖条件下应对干旱胁迫、水分胁迫以及应对极端气候变化的能力。结果表明:砾石覆盖度与土壤水分呈显著正相关,100%砾石覆盖处理土壤贮水量最高;干旱胁迫条件下砾石覆盖度越高土壤的保水性越好,降雨条件下砾石覆盖度越高土壤截留雨水的能力越大。砾石覆盖具有明显的土壤温度调节效应,4个砾石覆盖处理的土壤平均温度大于CK处理,100%砾石覆盖处理土壤平均温度最大;砾石覆盖处理可以认为是一种有效的温度调节方式,具体表现在低温（-5～0℃）条件下100%砾石覆盖处理较CK处理土壤温度增加5℃,高温（40～45℃）条件下GM4处理较CK处理土壤温度降低3.7℃;在寒冷气候和水分亏缺的情况下4个砾石覆盖处理增温能力均大于对照。（2）研究砾石覆盖条件下作物生长和产量之间的相互作用关系,结果表明:砾石覆盖度越高,作物生长各项指标（株高、叶面积、生物量）越大,100%砾石覆盖处理产量连续2 a最高,且第2季冬小麦和夏玉米产量均高于第1季产量,其中,100%砾石覆盖处理效果最好。各处理冬小麦株高差异不明显,但叶面积指数随着砾石覆盖度的增加而显著增加;夏玉米株高和叶面积均随砾石覆盖度的增加而增大。砾石覆盖处理的冬小麦和夏玉米产量显著提高,100%砾石覆盖处理的两季冬小麦和夏玉米平均产量较对照处理分别增加了58.55%和22.50%。证明了砾石覆盖技术可以有效促进作物生长和提高产量。（3）在整个试验期间,温室气体排放与土壤温度和土壤孔隙度含水率（WFPS）显著相关。这些相关性很好地解释了土壤温室气体（CO2,N2O和CH4）排放的季节变化受土壤温度和土壤WFPS的变化驱动。与对照相比,砾石覆盖有利于提高作物产量,同时能有效减少土壤CO2排放,促进土壤CH4的吸收,而土壤N2O排放则存在差异,具体表现为在小麦生长季差异不明显,夏玉米生长季土壤N2O排放增加。这也直接导致了GWP结果的差异。尽管GWP波动,但由于系统产量较高,砾石覆盖处理的GHGI仍显著降低。此外,砾石覆盖对减少温室气体排放强度（GHGI）和碳排放强度（CI）（CF/产量）起到了积极的作用。与CK处理相比,WCK,GM和WGM处理的GHGI在第1季分别降低了35.1%,53.7%和55.9%,在第2季分别降低了16.7%,19.6%和37.2%。WCK、GM和WGM处理的CF的两年平均值分别比CK处理低69.5%,45.5%和11.2%。考虑到农业系统碳平衡的需求,2个小麦—玉米轮作系统条件下,砾石覆盖显著降低了农业生产的CF,但值得注意的是砾石覆盖的减排效果随时间推移而不断降低。（4）比较了不同试验处理条件下2 a小麦—玉米轮作系统的多级水分利用效率。结果表明:砾石覆盖对年度净初级生产力（NPP）和净生态系统交换（NEP）有积极贡献,并且两个轮作周期砾石覆盖处理均实现了水分高效利用。不同处理的WUEveg非常接近,在第1季的变化范围为12.2±2.7至14.4±0.6 kg CO2 ha-1 mm-1。对于第2季,WUEveg受总生物量和年NPP的影响大幅增加,WCK,GM和WGM处理的WUEveg分别比对照增加5.40%,24.32%和29.73%。就WUEeco而言,两个小麦—玉米轮作周期之间存在很小的差异。WUEbio与WUEveg和WUEeco略有不同,它随砾石覆盖度的增加而增加,因灌溉处理而降低。对于4种处理,砾石覆盖显着提高了WUEyield。WUEyield在第1季的变化范围为11.8±2.5至18.6±0.9 kg ha-1mm-1,第2季为13.8±1.1和20.9±2.7kg ha-1 mm-1。综合考虑作物产量、生态效应和水分利用情况,砾石覆盖能提高不同水平的水分利用效率,提升小麦—玉米轮作模式的生产力。
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