旱作冬小麦农田秸秆覆盖的土壤生态效应及对作物产量形成的影响

来源 :西北大学 | 被引量 : 9次 | 上传用户:chenchengDelphi
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黄土高原是我国重要的旱作农业区之一,缺水低肥限制了当地农田生态系统持续发展。近年来,秸秆覆盖由于具有良好的保墒调温效果,在黄土高原地区得到了大面积推广,但长期秸秆覆盖的土壤生态效应及其对作物产量的影响尚不明确。本文以黄土高原旱作冬小麦农田为对象,基于2008-2018年秸秆覆盖定位试验,研究了旱地秸秆覆盖的土壤生态效应及其对作物产量形成的影响。试验包括四个处理:冬小麦生育期全量秸秆覆盖(9000 kg hm-2,HSM)、生育期半量秸秆覆盖(4500 kg hm-2,LSM)、夏季休闲期全量秸秆覆盖(9000 kg hm-2,FSM)和全年无覆盖对照(CK),观测指标包括土壤水分、温度、碳氮库、温室气体排放、微生物群落结构以及作物生长和产量形成指标等,取得的主要结果如下:(1)从2008-2018多年测定结果来看,与CK相比,秸秆覆盖处理0-200 cm土层冬小麦播前土壤贮水量提高了3.74-6.03%。与CK相比,秸秆覆盖处理休闲期降水贮存效率提高了7.91-16.6%,干旱年份效果更明显,且休闲期秸秆覆盖较生育期秸秆覆盖更有利于提高休闲期降水贮存效率。各处理冬小麦生育前期土壤水分变化无显著差异,但生育期秸秆覆盖可提高冬小麦生育后期土壤水分消耗。2017-2018年土壤温度观测结果表明,与CK和FSM相比,HSM和LSM处理可降低冬小麦多数生育时期白天平均温度,能平抑小麦各生育期不同土层土壤温度的波动。与CK相比,HSM和LSM处理对冬小麦生育前期表层土壤日均温有显著降温效果,FSM处理对冬小麦生育期土壤日均温无显著影响。(2)通过对2009-2018年冬小麦收获期土壤碳氮库进行测定发现,在0-20 cm土层,秸秆覆盖各处理较CK土壤有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)、潜在可矿化碳(PCM)和微生物量碳(MBC)储量平均提高了4.20%-39.4%,其中生育期秸秆覆盖较休闲期秸秆覆盖作用更为显著,且全量覆盖较半量覆盖效果更好。生育期秸秆覆盖处理有利于提高表层土壤全氮(STN)、潜在矿化氮(PNM)和微生物量氮(MBN)储量。与CK相比,HSM和LSM处理0-20 cm土层STN储量分别提高了8.05%和6.61%;MBN储量分别提高了16.3%和14.5%。与CK、LSM和FSM处理相比,HSM处理MBN储量分别提高了16.6%、22.3%和36.8%。不同年份下秸秆覆盖对土壤碳氮组分的影响作用存在差异。在0-20 cm土层,POC、PCM、STN、MBN及MBN/STN含量与估计的冬小麦根系残余输入量之间呈显著正相关关系。与CK相比,秸秆覆盖促进了土壤碳固定,且生育期秸秆覆盖效果优于休闲期秸秆覆盖。生育期秸秆覆盖同时有利于提高土壤全氮及微生物量氮储量,且全量秸秆覆盖较半量覆盖更有利于提高微生物活性,而休闲期秸秆覆盖对土壤氮素的固定与活化无显著影响。(3)通过对2016年冬小麦收获期0-20 cm土层土壤团聚体分布特征进行分析发现,秸秆覆盖处理能促进土壤机械稳定性大团聚体的形成,提高团聚体的力稳定性,且HSM处理效果最为显著。与CK和FSM相比,HSM和LSM处理可提高大多数粒径团聚体碳组分含量,且HSM和LSM处理各粒径团聚体有机碳含量间的差异较小。秸秆覆盖对土壤团聚体碳组分的影响主要发生在0-10 cm土层,对10-20 cm土层影响作用较小。秸秆覆盖处理对土壤氮组分含量的影响作用较碳组分小,且对氮组分的提高作用只出现在团聚体的某一粒径,并不会对多数粒径氮组分含量产生影响。土壤碳氮组分主要储存在土壤大团聚体中,大团聚体碳氮组分贡献率均达到75%以上。秸秆覆盖可提高0-10 cm土层大团聚体SOC、PCM、MBC、STN、PNM和MBN的贡献率,使更多的碳氮储存在大团聚体中,且HSM处理效果优于LSM和FSM处理。(4)通过对2017-2018年土壤温室气体排放特征的观测发现,与CK和FSM相比,HSM和LSM处理降低了整个生育期土壤累积CO2排放通量,但提高了整年土壤N2O和CH4累积排放通量。与CK相比,FSM提高了夏季休闲期土壤N2O和CH4累积排放通量。土壤温度和含水量对温室气体排放有显著影响,土壤CO2和N2O排放通量与土壤温度和含水量均显著正相关,土壤CH4排放通量随温度的增高先降低后增加,并与土壤含水量显著正相关。与CK相比,生育期秸秆覆盖可降低农田综合增温潜势,且HSM和LSM处理间无显著差异,FSM处理对农田生态系统综合增温潜势无显著影响。(5)通过对2018年冬小麦收获期0-20 cm土层土壤微生物群落结构的测定得出,秸秆覆盖显著改变了土壤微生物多样性及群落结构,且覆盖处理间微生物群落结构差异明显。与CK相比,HSM、LSM和FSM可显著提高了细菌香农指数和真菌Chao指数,且HSM真菌香农指数显著低于FSM。与CK相比,HSM、LSM和FSM处理变形菌门(Proteobacteria)相对丰度分别提高了23.3%、47.0%和46.0%,放线菌门(Actinobacteria)相对丰度降低了16.7%、51.2%和46.0%(P<0.05),各秸秆覆盖处理酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度较CK处理也有不同程度地提高。各处理间子囊菌门(Ascomycota)相对丰度无显著差异,但在不同纲类中各处理间变化趋势不同。秸秆覆盖处理可提高β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶和β-1,4-木糖苷酶活性,且FSM处理提高幅度高于HSM和LSM处理。土壤碳氮组分(PNM除外)、土壤水分、β-1,4-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶和β-1,4-木糖苷酶与变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、浮霉菌门(Planctomycetes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)呈正相关关系,与酸杆菌门(Acidobacteria)呈负相关关系,土壤微生物群落结构及多样性的变化受土壤碳氮组分及理化性质等综合因素的影响。(6)从2008-2018年观测结果来看,与CK相比,HSM和LSM处理降低了冬小麦籽粒产量、千粒重和收获指数,提高了冬小麦分蘖数、茎数和地上生物量,且HSM效果较LSM处理更显著;FSM处理提高了冬小麦茎数、穗数、分蘖数和千粒重,对冬小麦籽粒和生物产量无显著影响。各处理间冬小麦产量构成要素在不同年份表现为不同的变化特征。在年降雨量较高的年份(>500 mm),生育期秸秆覆盖不利于水分利用效率和籽粒产量的提高。在2018年,HSM处理推迟了冬小麦达最大灌浆速率时间,且提高了速增期的灌浆速率,影响小麦灌浆特征。秸秆覆盖处理虽可提高土壤贮水量和降水贮存效率,但降低了水分利用效率,HSM处理降低效果最显著。HSM和LSM处理下冬小麦苗期-分蘖期土壤较低的温度降低了冬小麦苗数。冬小麦籽粒产量一定程度上受土壤微生物活性的影响,与土壤PCM和PNM含量显著相关。此外,生育期秸秆覆盖措施会导致冬小麦返青后土壤矿质氮含量的降低,从而影响冬小麦籽粒产量形成。通过进行追肥微区试验发现,在灌浆前补施氮肥可缓解生育期秸秆覆盖的减产作用。
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