论文部分内容阅读
粮食安全和全球变暖是当今人类社会面临的重大挑战。为了兼顾经济效应和环境效应的双赢,采用良好的农业施肥措施来提高作物产量,并促进温室气体减排是当今作物生产的一个重大技术需求。施肥措施的长期效果是研究农业可持续发展的重要科学依据。本研究以始于1990年的国家（公主岭）黑土肥力与肥料效益长期定位试验为研究平台,以不施肥（CK）、单施氮肥（N）、施氮钾肥（NK）、施氮磷肥（NP）、施磷钾肥（PK）、施氮磷钾肥（NPK）、秸秆还田（SNPK）、氮磷钾配施有机肥（M1NPK）和高量有机肥与化肥配施（M2NPK）共9个处理为研究对象,探讨长期不同施肥措施下玉米产量的可持续性、土壤肥力变化、以及温室气体CO2、N2O和CH4的排放规律、综合温室效应和温室气体强度的差异,探讨其影响机制,拟为东北黑土区农业的可持续发展提供科学依据和技术支撑。结果如下:1.等氮量施肥M1NPK、SNPK和NPK三处理25年的玉米平均产量差异不显著,施化肥处理玉米平均产量排序为NPK>NP>NK>N>PK、CK。氮、磷和钾对玉米产量的农学效应差异显著,1kg化学氮肥、磷肥、钾肥的农学效率分别为33.0、16.3、5.1 kg。有机无机配施处理SYI值高,SYI在0.694～0.767间,作物产量可持续性好,而不平衡施肥和不施肥处理的可持续产量指数（SYI）值最低。CK、PK、N或NK处理玉米产量变异系数较大,产量稳定性差,分布在21.2%～36.9%间,而有机无机配施处理相对较小都在11.1%～14.1%间。黑土土壤对N、P和K平均供应能力分别为41.8%、85.6%和95.9%。单施N肥土壤平均生产力贡献率为68.9%,并有逐渐降低趋势,与PK配合施用土壤平均生产力贡献率为91.2%,NPK处理与等氮量施肥M,NPK和SNPK两处理平均生产力贡献率差异不显著。2.在玉米各生育时期,M1NPK处理氮素累积量均高于等氮量NPK和SNPK处理;成熟期,M1NPK、NPK、SNPK、N和CK处理植株氮素总累积量分别达到286.2、276.2、249.4、151.7和63.6 kg/hm2。M1NPK、SNPK、NPK和N处理叶和茎鞘总氮素转移量分别为99.0、79.7、87.2和41.8 kg/hm2,总的转移氮素对籽粒的贡献率分别为25.5%、23.8%、23.6%和21.7%,其中M1NPK处理的总氮素转移量及其对籽粒氮贡献率最高,与其它处理差异显著。M1NPK氮素利用率、农学效率和氮肥偏生产力都显著高于化肥NPK处理,而化肥NPK处理与SNPK差异不显著,其中,M1NPK氮肥偏生产力和农学效率分别为65.4和44.6 kg/kg。3·不同施肥措施下耕层土壤日温度的变化均近似呈正弦函数变化,在整个生育期间,有机无机配施（M1NPK）处理下土壤日平均温度和累积温度低于化肥NPK处理;秸秆还田（SNPK）处理下土壤日平均温度、累积温度、日平均最高温度和日平均最低温度都显著低于化肥NPK处理（P<0.05）,其日变化幅度也小于化肥NPK处理。CK处理下0～20cm表层土壤含水量低于其它处理,但30～90 cm层次土壤含水量明显高于其它处理（P<0.05）;有机无机配施处理（M1NPK和SNPK）下30～90cm层次土壤含水量显著高于化肥NPK处理。有机无机配施M1NPK处理下,玉米水分利用效率显著高于化肥NPK处理（P<0.05）;在干旱年份,秸秆还田（SNPK）水分利用效率高于化肥NPK处理。4.农家肥和化肥配施处理显著提高了表层土壤有机碳、活性有机碳、微生物碳氮、全氮和碱解氮含量。秸秆还田（SNPK）处理土壤有机碳含量波动不大,但其土壤活性有机碳较试验初增加了36.8%（P<0.05）;SNPK土壤全氮基本稳定,但土壤碱解氮略有下降。不施肥（CK）和不平衡施肥处理（N和NP）表层土壤有机碳、活性有机碳、全氮和碱解氮含量均呈下降趋势。秸秆还田（SNPK）处理表层土壤微生物碳氮为最高,有机肥和化肥配施处理显著高于单施化肥处理土壤微生物碳氮（P<0.05）。有机无机配施处理土壤有机碳和全氮的增加主要集中在0～40cm土层。与NPK处理比较,M2NPK、NP和N处理40cm土层以下硝态氮累积量有所增加,而等氮量施肥的M1NPK和SNPK处理硝态氮累积量有所减少,尤其SNPK处理在0～100cm土层硝态氮累积量都明显小于化肥NPK处理。5.长期有机无机肥配施处理能显著提高表层土壤全磷、速效磷和速效钾含量,而不施肥（CK）处理土壤全磷、速效磷和速效钾含量均有所下降;不施磷肥处理土壤全磷和速效磷含量呈下降趋势,而施磷效果截然相反;不施钾肥处理土壤速效钾呈下降趋势;施钾肥能显著提高土壤速效钾含量;但各处理对土壤全钾的影响没有差异。长期不同施肥对土壤酸化的影响主要集中在土层0-40cm,60cm土层以下各处理土壤pH值没有差异,单施化肥处理土壤pH值显著低于不施肥（CK）和有机无机配施处理,其中2012年NPK处理0-20cm表层土壤pH值比M2NPK和SNPK处理分别低1.6、2.17个单位。6.各施肥处理土壤CO2和N2O的排放高峰都出现在玉米拔节期。在整个玉米生育期,秸秆还田（SNPK）土壤CO2累积排放量为最高,达到5595.4 kg/ha,其次为农家肥和化肥配施（M2NPK）处理,CK处理为最低,仅为3147 kg/ha;有机无机肥配施SNPK和M2NPK处理土壤CO2排放通量和累计排放量显著高于施化肥处理（P<0.05）。农家肥和化肥配施（M2NPK）处理土壤N2O排放量明显高于施化肥处理;施用化肥处理土壤N2O排放量明显高于不施肥（CK）;秸秆还田（SNPK）处理土壤N2O排放量明显小于化肥NPK处理。有机无机肥配施（M2NPK和SNPK）处理土壤CH4净吸收量显著高于不施肥（CK）和N处理（P<0.05）。从土壤净综合温室效应和总温室气体强度可分析出,与不施肥（CK）比较,偏施化肥N和NPK处理净综合温室效应（GWP）分别增加了109.8%和31.5%,SNPK净综合温室效应降低了13.2%;尤其是有机无机配施（M2NPK）处理净综合温室效应为负值,为净碳汇。平衡施肥（NPK）和有机无机肥配施（SNPK和M2NPK）温室气体的排放强度也最弱,显著低于不施肥（CK）和偏施化肥（N）处理,其中M2NPK和SNPK分别为-183.5、59.6kg CO2-e t-1。