覆盖、垄作及氮肥对黄土区春玉米可持续生产的影响
黄土区是我国典型的旱作农业区，也是全球农业系统的重要组成部分，本区域的农作物产量对保证我国的粮食安全至关重要。由于本区域特殊的气候环境和水分、养分缺乏限制了农作物生产力的提高。地膜覆盖、秸秆覆盖和垄作栽培等集雨、保商、增温等保护性耕作措施在本区域得到了广泛的推广。然而，关于覆膜、秸秆覆盖和垄作在黄土旱作农业区的可持续性缺乏系统的研究。 本研究以黄土旱作农业区主要粮食作物春玉米为研究对象，采用大田试验和同位素示踪方法，于2016~2021年在长武开展连续6年田间试验，研究覆膜、秸秆覆盖和垄作在黄土旱作农业区的农业可持续性。试验采取裂区试验设计，主处理为耕作方式，包括传统耕作、垄作、平膜覆盖、垄作覆膜和秸秆覆盖；副处理为施氮量，包括不施氮处理（N0）和 225 kg N ha–1 处理（N225）。探究春玉米产量稳定性、土壤水氮平衡、肥料氮素损失及土壤碳氮变化等，以期为评估覆膜、秸秆覆盖和垄作在黄土旱作区农业可持续性提供理论依据。主要研究结果和结论如下： 1. 覆膜配施氮肥是维持春玉米高产与稳产的有效方式。地膜覆盖配施氮肥显著提高春玉米产量与产量可持续性，降低产量变异性。与传统耕作相比，地膜覆盖配施氮肥产量显著提高65.0%~73.4%，产量可持续指数提高11.1%~18.8%，产量变异系数降低 4.8%~10.6%。秸秆覆盖受氮肥和气候因素影响显著，产量变异性大。垄作增产幅度有限，产量可持续性低。 2. 地膜覆盖显著减少土壤蒸发，配施氮肥显著增加玉米冠层蒸腾，提高冠层蒸腾/蒸散比，优化玉米耗水结构，提高水分利用效率。与传统耕作相比，地膜覆盖配施氮肥显著增加冠层蒸腾 15.9%~19.9%，提高蒸腾/蒸散比 12.0%以及水分利用效率58.8%~72.2%。地膜覆盖配施氮肥增加玉米耗水量，提高降雨利用潜势。在平水年地膜会加剧土壤水分亏缺，休闲季及丰水年降雨能弥补玉米对土壤水分的消耗，维持土壤水分平衡。 3．地膜覆盖和秸秆覆盖配施氮肥显著提高玉米对肥料氮的吸收，减少土壤中的残留氮和未知去向氮，增加玉米氮素累积量，提高氮肥利用效率。标记 15N的结果表明；覆盖处理当季氮肥利用率增幅为 8.2%~12.1%，两季累积氮肥利用率增幅为10.0%~16.4%。 4．覆盖配施氮肥可维持或提高土壤质量。秸秆覆盖显著提高有机碳含量22.3%~33.3%，全氮含量27.1%~29.8%。地膜覆盖配施氮肥可显著增加土壤有机碳和全氮含量。垄作和传统耕作有降低有机碳和全氮的趋势。 5．玉米冠层全生育时期均为氨排放，冠层氨挥发是春玉米田氨排放的重要来源。冠层氨排放通量为0.001~0.116 kg N ha–1d–1，冠层氨通量累积量为1.50~4.75 kg N ha–1。气温和太阳辐射强度显著正向影响冠层氨通量；玉米冠层氨通量一定范围内随玉米叶面积和蒸腾的增加而增加。地膜覆盖显著增加玉米冠层氨通量，但减少土壤氨通量和玉米田氨通量，降低氨挥发损失率。与传统耕作相比，地膜覆盖显著减少22.2%~37.7%土壤氨累积挥发量，16.5%~17.4%玉米田氨累积挥发量，降低氨排放系数0.94%~1.04%。 6. 随种植年限的延长，肥料氮有向土壤深层迁移的趋势。地膜覆盖减少了矿质氮向深层土壤的淋溶，降低了淋溶损失的风险。 7．不施氮处理的土壤氮素平衡为负，土壤氮素呈耗竭状态，且地膜覆盖加速土壤氮素的消耗，不利于土壤氮素平衡。秸秆覆盖缓解了土壤氮素的消耗。施氮弥补了土壤原有氮素消耗，可维持或增加土壤氮素含量。 总之，覆盖配施氮肥可提高春玉米籽粒产量及产量可持续性，降低产量变异性；提高水氮利用效率。秸秆覆盖和地膜覆盖配施氮肥可显著提高土壤有机碳、全氮等土壤养分，有利于维持或提高土壤质量。垄作增产效果有限且产量变异性大，长期垄作下土壤全氮和有机碳含量有降低的趋势，因此其可持续性较差。综上，地膜覆盖和秸秆覆盖配施氮肥是旱作农业区可持续发展的有效选择，但是应该关注地膜覆盖引起的微塑料污染问题和秸秆还田过程的病虫害流行等问题。
春玉米;地膜覆盖;秸秆覆盖;垄作栽培;可持续性
西北农林科技大学
博士
植物营养学
王林权
2023
中文
S513
2023-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）