不同质量有机物料提升华北平原冬小麦夏玉米轮作体系土

分类号：单位代码：10019密级：学号：B08020175学位论文不同质量有机物料提升华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系土壤生产力的研究ImprovingSoilProductivitybyVariousQualityOrganicMaterialsinWinterWheat–SummerMaizeRotationSysteminNorthChinaPlain研究生：郭大勇指导教师：张福锁教授合作指导教师：范明生副教授申请学位类别：农学博士专业领域名称：植物营养学研究方向：养分资源管理所在学院：资源与环境学院2012年11月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：时间：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：时间：年月日导师签名：时间：年月日I摘要如何持续提高作物产量，保证粮食安全的基础上减少农业生产对自然资源和环境的影响，是我国农业面临的重大挑战。在保障我国粮食和环境安全的科技要素中，土壤生产力的提升已经被认为是实现我国作物生产高产高效和粮食安全的基本保障条件，而且我国农田土壤有机碳（SOC）含量仍然较低，具有较大的提升潜力。因此，当前学术界一个普遍的共识是通过提高SOC进一步提高我国的土壤生产力。本研究以华北平原冬小麦-夏玉米为研究对象，施用玉米秸秆以及以玉米秸秆为主要原料生产的不同有机物料（沼渣、牛粪、堆肥和黑炭），在小麦季等碳量投入条件下研究单施有机物料以及有机物料与化肥配施对华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系土壤生产力的影响与机制。主要结论如下：1.单施有机肥条件下，相比于不施氮对照，除秸秆处理三年的小麦平均产量下降了7.5%外，其他有机处理小麦平均产量均有所增加，其中沼渣处理增幅昀大，为104.1%，堆肥、牛粪和黑炭处理依次分别为67.8%，15.0%和8.6%；有机物料配施无机氮肥后，相比于化肥对照，小麦平均产量均有提高，增幅在11.0-34.9%间；施用不同有机物料显著的增加了小麦的冬前分蘖数和收获穗数，同时促进了冬小麦后期地上部的干物质累积，实现冬小麦增产。夏玉米在单施有机肥条件下，除黑炭处理与不施氮对照产量基本相同外，其他有机处理平均产量均有不同程度提升，昀大为沼渣处理，增幅36.3%；配施化肥后，不同有机处理夏玉米平均产量仅略有增加，增幅均7%；冬小麦夏玉米轮作体系无论是单施有机物料还是有机无机配施，产量趋势均表现为沼渣、堆肥牛粪秸秆、黑炭化肥对照。2.相比于化肥对照，沼渣处理在冬小麦和夏玉米季均降低了氮肥投入量，三年共减少氮肥投入187kg/ha，其中冬小麦季148kg/ha，夏玉米季39kg/ha，堆肥处理三年共减少氮肥投入84kg/ha，秸秆和黑炭处理则分别增加氮肥投入量40和35kg/ha，牛粪处理与对照三个轮作周期共计均在740kgN/ha左右；不同有机处理氮肥投入量在冬小麦季存在较大差异，但夏玉米季差异较小；沼渣和堆肥显著地提高了冬小麦夏玉米的氮肥偏生产力（PFP），秸秆和黑炭处理与对照相比氮肥偏生产力无显著性差异。3.不同有机处理土壤硝态氮含量在小麦返青期和玉米六叶期存在两个峰值，之后至收获期含量持续下降；不施氮水平下，小麦玉米轮作周期内0-1m沼渣和堆肥处理硝态氮含量均较高，采用氮肥优化后不同处理土壤硝态氮含量基本维持在150-200kg/ha间。4.不同有机物料对土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的影响主要表现在土壤耕层（0-30cm），施用不同有机物料显著地增加了土壤表层（0-15cm）的有机质、全氮、速效磷和速效钾含量，30-50cm土壤剖面的有机质、全氮、速效磷和速效钾含量无显著性差异。0-15cm层次内不同有机物料对土壤质量影响不均衡，黑炭处理相比对照有机碳含量增加了64.0%，达到11.9g/kg，增幅昀大，堆肥和牛粪处理土壤速效钾含量超过了300mg/kg，达到了初始值的2倍左右，速效磷含量沼渣、堆肥和牛粪处理均超过了20mg/kg，沼渣甚至达到60mg/kg。5.与单施化肥处理相比，施用黑炭影响了冬小麦夏玉米对氮肥的反应，在小麦季低氮水平下（133.0kgN/ha）施用黑炭有减产趋势，133.0kgN/ha有增产趋势，夏玉米在不同氮水平下均表现出增产趋势。黑炭显著的增加了0-30cm土壤无机氮含量和降低了冬小麦籽粒中的氮浓，夏玉米籽粒中氮浓度无显著性差异。关键词：华北平原；小麦玉米轮作体系；产量；不同有机物料；土壤生产力IIIAbstractTomeetthedemandofagrowingpopulationwhilereducingnaturalresourcesdepletionanddecreasingnegativeeffectsonenvironmentalisachallengeforChina.Improvingsoilproductivityhasbeenconsideredtobeaneffectivewayinensuringfoodsecurityandenhancingnutrientuseefficiencybysequestratingcarboninsoil,whichwasstilllowinagriculturalsystem.Thisstudywasaimedatimprovingsoilproductivityinwinterwheat–summermaizerotationinNorthChinaPlainbyusingvariousqualityorganicmaterials,whichweremainlyproducedwithmaizestrawbydifferentprocess.Mainresultsweresummarizedasfollows:1.Comparedtocontrol(F),averagewinterwheatyieldoverthreeexperimentalyearsincreasedwithorganicresourceinputwiththeexceptionofstrawtreatment,whichdecreasedby7.5%.Biogasresidualperformedthebestwhichincreasedby104.1%,followedbycompost,manureandbiocharby67.8%,15.0%and8.6%,respectively.Organicamendmentsresultedinahighertilleringnumbersandspikenumbersaswellasabove-groundbiomassaccumulationwhichbeneficialforwheatyieldformation.Maizeyieldofbiocharmaintainedasimilaryieldcomparedtocontrol,whileotherorganictreatmentsresultedinaslightincrementwithorganicamendmentaloneorcombinationoforganicresourcewithinorganicnitrogenfertilizer.Biogasresidualachievedahighestyieldincrementby36.3%,whileotherorganictreatmentshadayieldincrementbelow7%.Yieldoftreatmentsfollowedadescendingorderwithorwithoutnitrogenfertilizerinput:BgR,CMS,BCF.2.WhencomibinationoforganicmaterialsandNfertilizerusing,biogasresidualledtoreducednitrogenfertilizerinputoverthreeexperimentalyearsby187kgN/hacomparedwithchemicalfertilizertreatment,ofwhich148kgN/hainwinterwheatseasonand39kgN/hainmaizeseason,respectively.CompostledtoreducedNfertilizerinputby84kgN/haforthreeexperimentalyears,whilestrawandbiochartreatmentresultedinincreasingNfertilizerinputbyabout40kgN/ha,manuretreatmentappliedsimilarNfertilizertocontrol(F,around740kgN/hainthreerotation).Thedifferecesinnitrogeninputinwheatseasonarebiggerthaninsummermaizeseason.Biogasresidualandcomposttreatmentssignificantlyimprovednitrogenpartialfactorproductivity(PFP);however,BCandStreatmentsshowednosignificantdifferencescomparedtocontrol(F).3.Soilnitratecontents(Nmin)in0-1msoilprofileshowedtwopeaksinregreenstageofwheatandsix-leavesstageofmaizethendecliningtillharvest.BgRandCtreatmentshadhighestnitratecontentsin0-1msoilprofilewithorganicinputonly.Soilnitratecontentshowedasimilarcontents(between150and200kgN/ha)withoptimalnitrogenmanagementunderdifferentorganicinput.4.Organiccarbon(OC),Totalnitrogen(TN),Availablephosphorus(AP)andAvailablepotassium(AK)weresignificantlyincreasedbydifferentorganicamendmentsin0-15cmsoilprofile,nosignificantdifferencefoundin30-50cmamongtreatments.5.TheinteractiveeffectsofNandbiocharadditionwerefoundinwinterwheatandsummermaizerotation.AtlowNfertilizerinputlevel(133kgN/ha),biocharadditionledtolowwheatyieldcomparedwithNfertilizeruseonly,whileathigherNinput(133kgN/ha),biocharledtohigher