小麦--玉米轮作体系生态集约化管理下碳氮循环特征研究
华北小麦-玉米轮作高度集约化种植体系氮肥用量高，肥料利用率低，环境污染风险高等现状限制了其可持续发展，急需优化氮素管理，发展生态集约化管理。生态集约化管理是在集约化农区通过采用优化的养分管理和其他管理措施，实现产量持续增长同时减少环境风险的综合管理模式。本研究建立了以养分专家系统为基础，结合选用新品种、优化种植密度等农艺措施的生态集约化(EI，Ecological Intensification)管理模式，通过十一年定位试验，与农民习惯(FP，Farmers' Practices)对比，研究了EI处理下的作物产量、氮素吸收与利用，土壤碳氮固存，土壤氮素供应，以及碳氮环境效应，并利用DNDC模型模拟产量和活性氮损失，提出了小麦-玉米轮作体系优化管理方案。论文取得如下进展: 1.EI处理减少氮肥用量的同时能够维持小麦和玉米产量，提高氮肥利用率。与FP处理相比，EI处理在保证小麦和玉米产量的同时，氮肥用量减少22.4％，氮素表观回收率和累积回收率分别提高9.7和8.3个百分点，氮素农学效率和偏生产力分别提高32.3％和30.1％，氮素当季利用率和残留利用率分别提高6.6和2.7个百分点，表观损失率降低9.3个百分点，年损失量降低87kg/ha。 2.EI处理显著提高小麦-玉米体系土壤固碳速率和固碳效率。2018年玉米收获后所有处理0-20cm土壤有机质含量均比2009年显著提高，2018年EI处理碳库储量显著高于FP，且EI处理固碳速率和固碳效率(分别为1.04t/ha/year和18.6％)显著高于FP处理(分别为0.68t/ha/year和0.4％)。EI处理和FP处理0-20cm土壤碳库储量差异不显著，土壤氮素矿化潜力随培养温度升高而升高，两处理间差异也不显著。 3.EI处理优化了小麦和玉米种植体系的氮素供应，降低环境风险。综合分析不同来源氮素，建立总氮供应量指标，并通过量化总氮供应量、相对产量、氮输入与输出关系，确定小麦和玉米适宜的总氮供应量分别为330-482kg/ha和291-361kg/ha，在此范围内，可保障作物高产、高氮素利用率和低环境氮素损失。EI处理总氮供应量趋近适宜水平，而FP处理总氮供应量较EI处理高21.7％-30.2％，环境风险较高。 4.EI处理降低小麦、玉米生产碳氮足迹。与FP处理相比，EI处理小麦和玉米土壤氧化亚氮(N2O)排放分别降低1.5％和13.4％，氨挥发损失分别降低14.9％和19.3％，氮足迹分别降低20.5％和27.2％,碳足迹分别降低9.7％和22.1％,年净收益增加14.5％,是一种协调环境和经济效益的可持续管理模式。 5.应用DNDC模型模拟小麦、玉米产量、氮素吸收和氮素环境排放，并提出了优化管理方案。DNDC模型在模拟小麦-玉米体系作物产量、氮素吸收、N2O排放和氨挥发损失方面表现良好。敏感性分析结果表明，产量和活性氮损失对播种日期和施氮量最敏感，在氮肥用量为180kg/ha时玉米和小麦均获得较高产量，继续增加施氮量产量不再增加。在本试验基础上将小麦播期调为10月10日左右，耕作深度调至5cm，可继续增加作物产量2.9％，降低活性氮损失10.5％。 综上所述，生态集约化管理通过合理优化养分管理和其他管理措施，在保障作物产量同时，减少了氮肥施用量，提高了氮素利用率，增加了土壤碳氮固存，降低了碳氮环境损失，增加了净收益，是一种协调农学、经济和环境效应的可持续管理模式。
小麦-玉米轮作;生态集约化;氮素利用;碳氮足迹;DNDC模型
中国农业科学院
博士
植物营养学
何萍
2021
中文
S512.1
2021-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）