Crop productivity and resource use efficiency under conservation tillage in a dry land spring wheat-field pea rotation system

摘要

水土流失严重和生产力水平低下是黄土高原西部半干旱旱农区发展的主要制约因素。黄土质地疏松，抗蚀能力差，雨量少而集中，是造成该区水土流失严重和土地生产力水平低下的自然原因，而传统农业的精耕细作更加剧了水土流失，限制了生产力水平的提高。因此，采取适宜的保护性耕作措施，增加有机质的归还率，尽量减少农田水分的非生产性消耗，提高水分的生产效率，既可以提高生产力水平，又可以减少水土流失，改善生态环境。而要在黄土高原西部半干旱地区发展保护性耕作，必须首先研究不同保护性耕作措施在该特殊自然环境中的适应性，诸如其对作物生产力、土壤状况及资源利用效率等的影响及其内在机理。为此，本研究从2001年8月开始，在黄土高原西部典型的半干旱区，位于甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学定西旱农生态综合试验站，结合小麦→豌豆年间轮作布设了六种不同耕作模式的田间长期定位试验，开展了对保护性耕作的适应性及其内在机理的系统研究。这些不同的耕作模式包括：传统耕作(T)、免耕秸秆不还田(NT)、传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕+秸秆覆盖(NTS)、传统耕作+地膜覆盖(TP)和免耕+地膜覆盖(NTP)。本文主要研究了保护性耕作措施对土壤温度、土壤水分及水温和谐性的影响，对作物生产力的影响及其机理，对水分利用效率、氮素利用效率及作物生产的经济效益的影响。结果表明： 1)免耕秸秆覆盖(NTS)能显著提高小麦→豌豆轮作系统的经济产量，但免耕秸秆不还田处理(NT)的产量最低。2002-2005年间NTS豌豆的平均产量为1.76t/ha，比T，NT，TS，TP和NTP分别提高14﹪，24﹪，17﹪，5﹪和9﹪；四年间NTS小麦的平均产量为2.44t/ha，比T，NT，TS，TP和NTP分别提高16﹪，26﹪，14﹪，3﹪和6﹪；两个小麦→豌豆轮作周期NTS的平均产量为8.41t/ha，比T，NT，TS，TP和NTP分别提高16﹪，25﹪，15﹪，4﹪和7﹪。 2)在免耕秸秆覆盖模式中，留在免耕地表的秸秆确实降低了小麦生长期间下午14:00 0-25cm土壤剖面的平均温度，但这一温度降低并没有延缓小麦的萌发出苗，而且该模式下经济产量不仅没有降低，反而有所提高。小麦生长期间下午14:00 0-25cm土壤剖面的温度平均值NTS比T，NT，TS，TP和NTP分别降低0.9℃，1.1℃，1.0℃，0.3℃，0.3℃和0.6℃。这可能是NTS中秸秆下面热流降低所致，但NTS中小麦生长状况比其他模式都好，产量也最高。因此，免耕秸秆覆盖模式中的温度降低不会对作物生长造成不利的影响。 3)黄土高原西部半干旱区，水分贮存在土壤上层比在下层对作物更有效；免耕秸秆覆盖表层0-10cm土壤水分含量相对于传统耕作最多可以提高90﹪；虽然不同模式间0-200cm土壤剖面的总贮水量差别不大，但免耕秸秆覆盖条件下水分有效性更高，作物能从土壤中吸收利用更多的水分。四年中两种作物播种期0-200cm土壤剖面的总贮水量T，NT，TS，NTS，TP和NTP模式分别为320，323，315，325，315和328mm，而收获期的总贮水量T，NT，TS，NTS,TP和NTP模式分别为287，296，282，282，282和294mm。因此，作物在免耕秸秆覆盖条件下吸收利用了更多水分，减少了水分的非生产性消耗。 4)免耕秸秆覆盖不仅提高了水分利用效率，小麦的氮素利用率、两个轮作周期后土壤中剩余氮素的量也都是诸模式中最高的。不同年份豌豆平均水分利用效率NTS分别比T，NT，TS，TP和NTP提高12﹪，20﹪，14﹪，2﹪和8﹪;不同年份春小麦平均水分利用效率NTS分别比T，NT，TS，TP和NTP提高11﹪，21﹪，9﹪，2﹪和5﹪。这是因为NTS条件下有限降水的非生产性消耗减少，贮存在土壤中的水分对作物的有效性更高；而水分有效性的提高也增加了氮素的有效性，因此免耕秸秆覆盖条件下氮素的利用效率也大大提高。虽然NTS因为经济产量较高而随子粒输出的氮素多，但因为还田秸秆多而随秸秆留在土壤中的氮素也多，氮素利用率高，所以总体上免耕秸秆覆盖使得该农业生产系统中的氮素不断增加，土壤肥力不断提高，特别相对于秸秆不还田的模式而言更是如此。 5)免耕秸秆覆盖条件下水分有效性提高，土壤温度降低，而作物生长状况更好、产量更高，除了与有限降水利用率的提高密切相关外，可以认为在黄土高原西部半干旱区，免耕秸秆覆盖使得水分和温度更加和谐，水温条件更加适合春小麦、豌豆的生长发育和产量形成。 6)免耕秸秆覆盖条件也显著提高了小麦→豌豆年间轮作系统生产的经济效益。两个轮作周期中小麦→豌豆轮作系统生产的收益率NTS比T，NT，TS，TP和NTP分别提高81﹪，38﹪，75﹪，165﹪和66﹪。这主要是因为免耕秸秆覆盖不仅消除了作物收获后的土壤耕作投入，而且其产出也因为经济产量的显著提高而大大提高，所以收益率明显提高。随着免耕秸秆覆盖应用时间的延长，作物产量会因为土壤肥力的提高而进一步提高，所以该轮作系统作物生产的收益率也会得到进一步的提高。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：LIST OF FIGURE 、LIST OF TABLE

INTRODUCTION

1LITERATURE REVIEW

2MATERIALS AND METHODOLOGY

3CONSERVATION TILLAGE EFFECTS ON SOIL TEMPERATURE IN SPRING WHEAT FIELD

4SOIL WATER DYNAMICS UNDER CONSERVATION TILLAGE

5CROP PRODUCTIVITY OF SPRING WHEAT - FIELD PEA ROTATION UNDER CONSERVATION TILLAGE

6RESOURCES USE EFFICIENCY OF DIFFERENT CONSERVATION TILLAGE SYSTEMS

7GENERAL DISCUSSION

致谢

REFERENCES

作者简介

导师简介

攻读博士学位期间发表的论文和科研成果

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