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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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地膜和秸秆覆盖对黄土高原旱作农田土壤水库与作物产量的影响

林文  
【摘要】:在旱地农业中,水分是影响作物生产的主要因素。黄土高原是典型的旱农区,为了克服降水稀少和季节分布不均的问题,土壤蓄水保墒是该区生产实践上广泛采用的策略。本研究中,主要以覆盖保墒这一农艺措施为研究对象,首先由已有研究结果整合分析覆盖对黄土高原春玉米水分现实生产潜力的影响。在此基础上,选取黄土高原南部长武塬区为研究区域,根据该区冬小麦-冬小麦-春玉米(粮-粮)轮作传统,研究覆盖措施对春玉米生育期和冬小麦休闲期农田土壤水库和作物产量及水分利用效率的影响。同时,就该区域秸秆覆盖条件下时有发生的春玉米减产情况进行试验和分析,提出改进意见。最后,从农田水分利用效率链的角度上,根据试验结果分析地膜覆盖在作物耗水各环节中所起的作用,研究其在提高农田水分利用效率方面的作用机理。取得的主要研究结果如下:(1)以French-Schultz方法为基础,结合分位数回归法的思想,在相关理论指导下,对产量-耗水量(Y-ET)边界方程的制定方法进行了改进。在此基础上,对黄土高原已发表的65篇论文中887组数据进行了整合分析,提出黄土高原旱作春玉米水分现实生产潜力方程,y=60.5(x-50)。当耗水量到314 mm时,产量达到最高为15954 kg/ha。若不考虑地膜覆盖措施,则春玉米水分现实生产潜力可用方程y=47.5(x–62.3)来表示。当耗水量达到325 mm时产量达到最大值12840 kg/ha。进一步对地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖处理条件下春玉米产量-耗水量关系进行比较表明,不同耗水量情况下,地膜覆盖均可显著增加春玉米产量和WUE,为三种种植措施中的最佳选择。(2)地膜覆盖条件下生育期ET有升高趋势,同时其休闲期蒸发量则低于其它处理。因此,从土壤水库中水资源方面考虑,地膜覆盖是一种可持续的种植方式。长武塬区的田间试验表明,春玉米生长期土壤水分变化深度可达300 cm土层。农田水量平衡测算需要到这一深度。七年定位试验及补充试验结果表明,苗期秸秆覆盖会导致春玉米减产,若将覆盖时期推迟到三叶期以后,则可表现出增产效果,但较之地膜覆盖而言,增产幅度不大。(3)黄土塬区旱作冬小麦生产中,夏闲期覆盖保墒对充分利用当地有限水资源和提高作物产量具有重要作用,采用起垄覆膜,沟内覆盖秸秆的田间微集水覆盖措施较其他处理而言保墒增产效果更佳。冬小麦夏闲期覆盖试验表明,各覆盖处理均显著增加土壤贮水量,其中垄上覆膜沟内覆盖秸秆(T3)处理在2013年和2014年夏闲期较无覆盖处理分别增加84和67 mm,在所有处理中均最高,其次为小麦玉米混合秸秆覆盖(T6)处理,两年分别增加59和47 mm;垄上覆膜(T2)处理两年分别增加56和42 mm,列第三。从夏闲期降水贮存效率(PSE)上看,各覆盖处理PSE两年分别增加9.7%-21.5%和6.4%-21.3%。2013-2014季冬小麦产量结果表明,各覆盖处理产量均高于无覆盖处理,其中,T3、玉米秸秆覆盖(T5)和T6处理达显著水平,增产分别为705、638和732 kg/ha,但各覆盖处理之间产量无显著性差异。播前底墒与小麦产量之间存在显著正相关关系;高产对应于高耗水,进而导致收获期各处理土壤贮水量趋于一致,都居较低水平。(4)无作物种植条件下,土壤温度和贮水量均随着地膜覆盖度而呈显著的直线增加趋势,随着地膜覆盖度从0%增加到100%,降水贮存效率由11%增加到56%。而在种植春玉米的情况下,土壤温增温效应主要在春玉米生长的早期,7月以后由于叶片的遮阴作用效果不明显。(5)地膜覆盖增加了旱作农田水分利用效率链的各个环节,进而提高了旱作农田降水利用效率、作物水分利用效率及作物产量。连续7年的田间试验中,与无覆盖相比,地膜覆盖条件下旱作春玉米年增产803-3102 kg/ha,农田降水利用效率(PUE)均显著增加。在玉米生长的中后期,2013年和2015年地膜覆盖条件下T/ET分别为73.3%和82.0%,较之于无覆盖条件增加18.4%和18.1%。随着地膜覆盖度的增加,表层(15 cm)土壤温度和降水贮存效率都呈线性增加(p0.05)。春玉米播种出苗期地温的提升显著提高了出苗率和壮苗率,促进了植物生长发育,增加了生物量和LAI,强化了蒸腾耗水,这也是地膜覆盖增加T/ET比例的重要原因之一。
【关键词】:旱地农业 土壤水分 冬小麦 春玉米 水分利用效率 黄土高原 边界方程
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S512.11;S513
【目录】:
  • 致谢4-7
  • 摘要7-9
  • Abstract9-16
  • 第一章 绪论16-26
  • 1.1 研究目的及意义16-17
  • 1.2 土壤水库与旱地农业17-19
  • 1.2.1 土壤水库的概念及意义17-18
  • 1.2.2 黄土高原农田土壤水库特征18-19
  • 1.3 地膜覆盖与旱地农业19-22
  • 1.3.1 农业地膜覆盖的兴起与发展19-20
  • 1.3.2 地膜覆盖的保墒作用20
  • 1.3.3 地膜覆盖对土壤温度的影响20-21
  • 1.3.4 地膜覆盖对土壤其他理化性状的影响21
  • 1.3.5 地膜覆盖对作物生长发育和产量的影响21-22
  • 1.3.6 地膜覆盖存在的问题22
  • 1.4 秸秆覆盖与旱地农业22-26
  • 1.4.1 秸秆覆盖的兴起与发展22-23
  • 1.4.2 秸秆覆盖对土壤水分的影响23
  • 1.4.3 秸秆覆盖对土壤温度的影响23
  • 1.4.4 秸秆覆盖对土壤其他理化性状的影响影响23-24
  • 1.4.5 秸秆覆盖对作物生长发育的影响24-26
  • 第二章 研究内容与方法26-29
  • 2.1 研究区概况26-27
  • 2.2 研究内容27-28
  • 2.3 技术路线28-29
  • 第三章 旱作条件下作物水分-产量边界方程的建立方法及其应用29-39
  • 3.1 引言29-30
  • 3.2 数据收集30-31
  • 3.2.1 数据筛选30-31
  • 3.3 结果与讨论31-37
  • 3.3.1 边界方程的建立31-35
  • 3.3.2 黄土高原春玉米边界方程35-36
  • 3.3.3 不同覆盖措施下水分产量关系36-37
  • 3.4 结论37-39
  • 第四章 不同覆盖措施对春玉米生长发育和产量的影响39-47
  • 4.1 引言39
  • 4.2 材料和方法39-41
  • 4.2.1 试验设计及田间管理39-40
  • 4.2.1.1 长期定位试验39-40
  • 4.2.2 补充试验40
  • 4.2.3 数据测定和计算40-41
  • 4.2.4 统计分析41
  • 4.3 结果与分析41-45
  • 4.3.1 对土壤温度的影响41-44
  • 4.3.2 对生物量和LAI的影响44-45
  • 4.3.3 不同覆盖措施对春玉米产量的影响45
  • 4.4 讨论45-46
  • 4.5 小结46-47
  • 第五章 长期地膜覆盖条件下春玉米土壤水资源的可持续性47-56
  • 5.1 引言47
  • 5.2 材料和方法47-48
  • 5.2.1 数据测定和计算47
  • 5.2.2 统计分析47-48
  • 5.3 结果48-54
  • 5.3.1 试验年份降水分布48
  • 5.3.2 生育期土壤水分48-50
  • 5.3.3 休闲期土壤水分平衡50-52
  • 5.3.4 耗水量 (ET)和水分利用效率(WUE)52-54
  • 5.4 讨论54-55
  • 5.4.1 春玉米土壤水分利用54-55
  • 5.4.2 地膜覆盖及土壤水分可持续性55
  • 5.5 结论55-56
  • 第六章 黄土塬区夏闲期地膜、秸秆及其组合覆盖的保水效果56-64
  • 6.1 引言56
  • 6.2 材料与方法56-58
  • 6.2.1 试验设计56-57
  • 6.2.2 数据测定57-58
  • 6.2.3 数据处理58
  • 6.3 结果与分析58-61
  • 6.3.1 休闲期降水贮存能力58-59
  • 6.3.1.1 夏闲期 500 cm土壤贮水量及降水贮存效率58-59
  • 6.3.1.2 夏闲期前后土壤含水量剖面分布59
  • 6.3.2 生育期土壤水分消耗59-61
  • 6.3.3 产量与土壤底墒的关系61
  • 6.4 讨论61-63
  • 6.4.1 夏闲期覆盖保墒效应61-62
  • 6.4.2 夏闲期覆盖对冬小麦产量影响62-63
  • 6.5 结论63-64
  • 第七章 不同地膜覆盖度下土壤水热效应及其对春玉米生长的影响64-75
  • 7.1 引言64
  • 7.2 研究方法64-66
  • 7.2.1 试验设计64-65
  • 7.2.1.1 试验 164-65
  • 7.2.2.2 试验 265
  • 7.2.2 数据测定与分析65-66
  • 7.3 结果与讨论66-72
  • 7.3.1 地膜覆盖与土壤温度66-68
  • 7.3.2 地膜覆盖与土壤水分变化68-71
  • 7.3.3 不同地膜覆盖度对春玉米生物量、产量和水分利用效率的影响71-72
  • 7.4 讨论72-73
  • 7.4.1 土壤温度和作物生长72
  • 7.4.2 土壤水分与作物生长72-73
  • 7.5 结论73-75
  • 第八章 地膜覆盖对黄土高原旱作春玉米农田耗水过程及作物产量的影响75-81
  • 8.1 引言75-76
  • 8.2 试验设计76
  • 8.3 结果与分析76-79
  • 8.3.1 地膜覆盖与产量和水分利用效率76-77
  • 8.3.2 地膜覆盖对蒸腾效率及T/ET的影响77-78
  • 8.3.3 地膜覆盖对土壤水热条件的影响78-79
  • 8.4 讨论79
  • 8.5 结论79-81
  • 第九章 总结与展望81-84
  • 9.1 主要结论81-82
  • 9.2 研究展望82-84
  • 参考文献84-95
  • 附录95-98
  • 作者简介98

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