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《中国农业大学》 2017年
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长期间套作下作物生产力、稳定性和土壤肥力研究

李小飞  
【摘要】:生物多样性能增加生态系统生产力和稳定性,其生态学理论基础是物种间的补偿和选择效应。间套作是增加农田生物多样性的主要方式,具有生产力和养分获得优势。但补偿和选择效应是否在间作优势的发挥中起着重要作用鲜见报道。在高产和高养分携出量情况下,生产力稳定性和土壤肥力如何变化是间套作能否可持续发展的关键问题。本论文基于2009年在甘肃(定位试验1)和宁夏(定位试验2)设立的2个间套作长期定位试验,在试验进行的第4-6年(2012-2014)研究补偿和选择效应对间套作生产力和养分获得优势的贡献以及连续间套作种植对生产力时间稳定性和土壤肥力(物理、化学和生物化学性状)的影响。主要得出以下结果:(1)蚕豆/玉米和鹰嘴豆/玉米连续间作具有生产力优势。定位试验1中,与相应单作体系相比,蚕豆/玉米和鹰嘴豆/玉米间作籽粒和生物产量分别增加29.5%、15.8%和33.5%、26.9%,土地当量比(LER)分别为1.35、1.22和1.15、1.18。大豆/玉米和油菜/玉米间作生产力优势不明显。与不施磷相比,施磷显著增加蚕豆/玉米籽粒和生物产量以及鹰嘴豆/玉米生物产量。定位试验2中,蚕豆/玉米间作籽粒和生物产量分别增产10.9%和7.1%,土地当量比(LER)分别为1.40和1.17。与不施氮相比,施氮分别增加蚕豆/玉米籽粒和生物产量17.0%-42.6%和16.8%-42.5%。蚕豆接种根瘤菌对体系生产力影响不显著。(2)间作体系生产力变化来源于物种间补偿和选择效应,不同作物搭配组合补偿和选择效应不同。定位试验1中,蚕豆/玉米间作生产力优势来源于正的补偿效应,鹰嘴豆/玉米间作生产力优势是正的补偿和选择效应共同作用的结果,大豆/玉米间作生产力变化只存在正的选择效应,油菜/玉米间作中负的选择效应抵消了正的补偿效应。此外,蚕豆/玉米生产力的补偿效应显著高于其他3个基于玉米的作物组合。对于生产力的选择效应,鹰嘴豆/玉米显著高于大豆/玉米,大豆/玉米显著高于油菜/玉米。定位试验2中,蚕豆/玉米生产力优势是正的补偿效应和负的选择效应相互作用的结果。(3)蚕豆/玉米和鹰嘴豆/玉米连续间作不仅具有生产力优势,还具有氮磷钾获得优势。定位试验1中,与单作相比,间作分别提高蚕豆/玉米和鹰嘴豆/玉米体系氮磷钾累积量23.4%-29.4%和22.1%-30.6%,对应的磷肥表观回收率分别增加19.3和12.9个百分点。大豆/玉米和油菜/玉米单间作氮磷钾累积量和磷肥表观回收率差异不显著。与不施磷相比,施磷显著增加所有作物组合体系的磷素累积量,增加蚕豆/玉米和鹰嘴豆/玉米体系的氮素累积量,增加鹰嘴豆/玉米体系的钾素累积量。定位试验2中,间作提高蚕豆/玉米体系氮磷钾累积量1.9%-22.4%,平均值为12.6%,提高氮肥表观回收率14.0-61.9个百分点。与不施氮相比,施氮增加体系氮磷钾累积量14.2%-44.6%。与低施氮量(75 kgN ha-1)相比,施氮之后体系氮肥表观回收率平均降低92.0%。(4)间作体系氮磷钾累积量的变化是补偿和选择效应共同作用的结果。定位试验1中,蚕豆/玉米间作氮和钾获得优势来源于正的补偿效应大于负的选择效应,磷获得优势是由正补偿效应引起的。大豆/玉米间作氮磷钾累积量的变化只存在正的选择效应。鹰嘴豆/玉米间作氮磷钾获得优势既存在正的补偿效应又存在正的选择效应。油菜/玉米间作养分累积量存在正的补偿和负的选择效应,二者相互抵消,导致无明显的间作养分获得优势。定位试验2中,蚕豆/玉米间作养分获得优势既存在正的补偿又存在负的选择效应。(5)连续间作能够维持或增加体系生产力时间稳定性。定位试验1中,与单作相比,间作能维持蚕豆/玉米、大豆/玉米和鹰嘴豆/玉米体系的生产力时间稳定性。在施磷条件下,间作降低蚕豆、鹰嘴豆和油菜作物的生产力时间稳定性。定位试验2中,间作增加蚕豆/玉米体系籽粒产量的时间稳定性,降低蚕豆籽粒产量的时间稳定性,增加玉米籽粒产量的时间稳定性。(6)不考虑施肥条件,与单作相比,连续间作能够维持或增加大部分土壤肥力指标。定位试验1中,间作和施磷能够维持土壤有机质和速效磷的长期稳定,增加土壤全氮1.0%。定位试验2中,与单作相比,间作分别显著增加土壤有机质和全氮10.3%和8.0%,维持土壤速效磷不降低。在基础肥力不同的土壤上间作均表现出对土壤水稳性团聚体和土壤酶活性的促进作用。定位试验1和2中,间作分别显著增加2 mm粒级土壤水稳性团聚体含量10.1%和9.1%,降低0.25-2、0.106-0.25和0.106 mm粒级土壤水稳性团聚体13.9%-24.2%。土壤酸性磷酸酶、脲酶、硝酸还原酶和蔗糖酶活性提高幅度达6.9%-105.0%。综上所述,合理的作物搭配时,连续间作具有高产稳产的优势,间作优势是物种间补偿和选择效应相互作用的结果,种间促进作用可能在维持间作生产力长期稳定中起着重要作用。此外,在持续高产和高养分携出量下,间作能够维持甚至增加大部分土壤肥力指标,进而有利于间作优势的发挥。
【关键词】:间套作 补偿效应 选择效应 土壤肥力 稳定性
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S344.3;S158
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 绪论11-19
  • 1.1 研究目的和意义11-13
  • 1.2 文献综述13-18
  • 1.3 本研究拟解决的科学问题18-19
  • 第二章 研究目标、内容、思路和方案19-25
  • 2.1 研究目标19
  • 2.2 研究内容19
  • 2.3 研究思路19-20
  • 2.4 研究方案20-25
  • 第三章 多样性种植下生产力优势及补偿和选择效应分析25-47
  • 3.1 数据处理25-26
  • 3.2 结果与分析26-44
  • 3.3 讨论44-46
  • 3.4 小结46-47
  • 第四章 多样性种植下氮磷钾获得优势及补偿和选择效应分析47-76
  • 4.1 数据处理47-48
  • 4.2 结果与分析48-72
  • 4.3 讨论72-75
  • 4.4 小结75-76
  • 第五章 多样性种植对生产力稳定性的影响76-89
  • 5.1 数据处理76-77
  • 5.2 结果与分析77-87
  • 5.3 讨论87-88
  • 5.4 小结88-89
  • 第六章 多样性种植对土壤肥力的影响89-127
  • 6.1 数据处理89-90
  • 6.2 结果与分析90-122
  • 6.3 讨论122-126
  • 6.4 小结126-127
  • 第七章 综合讨论、结论与展望127-134
  • 7.1 综合讨论127-130
  • 7.2 主要结论130-131
  • 7.3 创新点131-132
  • 7.4 展望132-134
  • 参考文献134-151
  • 致谢151-152
  • 作者简介152-153

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