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覆草旱作条件下稻田土壤肥力性状、碳氮动态及水稻生产力特征研究

王栋  
【摘要】:双季稻是我国南方稻区的重要种植体系,其生产状况直接影响着我国的粮食安全。然而,目前这一体系存在的主要问题是双季稻播种面积减少和作物生产力不稳定,这主要与季节性干旱、不合理的耕作制度和不合理的秸秆资源管理等因素有关。基于此,本课题组于2003年,在我国南方典型季节性干旱区(江西省鹰潭市余江县)的双季稻轮作系统上,依据该区降水量分布特征和双季稻种植特点,把水稻旱作、秸秆还田和免耕技术等3种农业管理方式组合起来而形成的水稻栽培措施,将其设置在该双季稻的晚稻季上,建立起田间定位试验。其主要目的是通过研究不同水稻栽培模式下稻田水量平衡、水稻生长特性和作物产量以及土壤肥力的变化情况,以期为该区水稻生产筛选出合适的具有高效抗旱节水高产培肥的水稻栽培措施。2003~2006年的前期研究结果已表明,覆草旱作和免耕覆草旱作是适合于我国南方季节性干旱区双季稻系统上发展具有抗旱节水和稳产高产的稻作栽培模式。 为了阐明连续实施的覆草旱作和免耕覆草旱作是否会引起稻田土壤肥力的明显变化,以及进一步探讨免耕覆草旱作水稻生产力的特征,本文借助田间定位试验,开展以下4个方面的研究内容,包括:(1)在2005~2007年,选取了以常规水作为对照,覆草旱作、裸地旱作、免耕覆草旱作和免耕裸地旱作5个处理,研究常耕和免耕条件下覆草旱作对稻田土壤容重、土壤有机质和养分含量、土壤微生物量和酶活性的影响;(2)在2007年,研究常耕和免耕条件下覆草旱作对稻田土壤不同活性有机碳和碳库管理指数的影响;(3)在2005年,在常耕条件下,选取了常规水作、覆草旱作和裸地旱作3个处理,研究覆草旱作对晚稻主要生育期内稻田土壤氮素转化的影响;(4)在2007年,选取了免耕水作、免耕覆草旱作和免耕裸地旱作3个处理,研究晚稻主要生育期内免耕覆草旱作条件下水稻的生长特性和产量。主要研究结果如下: 一、覆草旱作和免耕覆草旱作的稻田土壤肥力性状 1.在2007年(第5年),与常规水作相比,覆草旱作、免耕覆草旱作和免耕裸地旱作对耕层(0~15 cm)土壤容重和总孔隙度的影响不大;而裸地旱作较常规水作显著降低5~10 cm土层土壤容重和显著提高该土层土壤总孔隙度。在旱作条件下,与裸地旱作相比,免耕覆草旱作和免耕裸地旱作显著提高5~10 cm土层土壤容重,和显著降低该层土壤总孔隙度;覆草旱作和免耕裸地旱作较裸地旱作显著提高10~15 cm土层土壤容重,以及显著降低该层土壤总孔隙度。 2.在2005年(第3年)和2006年(第4年),与常规水作相比,免耕覆草旱作显著提高土壤有机质、全氮和碱解氮含量,增幅分别为4.54%~6.88%、4.58%~6.49%和16.34%~32.73%。在2006年,与常规水作相比,覆草旱作较常规水作显著提高土壤全氮和速效钾含量,增幅分别为3.90%和15.94%;而裸地旱作显著降低土壤有机质和碱解氮含量,减幅分别为4.43%和13.41%。在旱作条件下,与裸地旱作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作显著提高土壤有机质和碱解氮含量。在2005年和2006年,免耕覆草旱作较免耕裸地旱作显著提高土壤有机质和碱解氮含量。在2006年,覆草旱作较裸地旱作和免耕裸地旱作显著提高土壤速效磷和速效钾含量。 3.在2005年和2006年,与常规水作相比,覆草旱作显著提高土壤微生物量碳含量,增幅为9.33%~7.02%;免耕覆草旱作较常规水作显著提高土壤微生物量碳含量和基础呼吸,增幅分别为29.89%~11.36%和14.04%~15.96%。与常规水作相比,裸地旱作显著降低土壤微生物量碳含量,减幅为12.62%~6.30%;在旱作条件下,与裸地旱作和免耕裸地旱作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作显著提高土壤微生物量碳含量和土壤微生物商值(MBC/SOC)。免耕覆草旱作较裸地旱作和免耕裸地旱作显著提高土壤基础呼吸。 4.在2005年和2006年,与常规水作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性,对于脲酶来说,增幅分别为32.77%~9.35%和31.09%~13.67%,对于蔗糖酶来说,增幅分别为4.58%~5.31%和9.17%~8.70%。而裸地旱作的过氧化氢酶和脲酶活性与常规水作的差异不显著;与常规水作相比,裸地旱作和免耕裸地旱作显著降低土壤蔗糖酶活性,减幅分别为5.89%~6.44%和4.75%~4.83%。在旱作条件下,与裸地旱作和免耕裸地旱作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性。 二、覆草旱作和免耕覆草旱作的稻田土壤不同活性有机碳和碳库管理指数 1.随着种植年限的延长,与常规水作、裸地旱作和免耕裸地旱作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作明显提高土壤总有机碳含量,在2005年~2007年间,覆草旱作和免耕覆草旱作显著提高3年平均土壤总有机碳含量,较常规水作分别提高了3.55%和6.32%,较裸地旱作分别提高了7.26%和10.14%,较免耕裸地旱作分别提高了5.29%和8.11%。而裸地旱作较常规水作显著降低3年平均土壤总有机碳含量,减少了3.47%。 2.与常规水作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作都显著提高土壤总有机碳、颗粒有机碳、热水提取有机碳和易氧化有机碳含量,以及各组活性有机碳的分配比例和碳库管理指数,其中总有机碳含量的增幅分别为3.87%和7.40%,颗粒有机碳含量的增幅分别为16.55%和32.15%热水提取有机碳含量的增幅分别为29.91%和41.12%,易氧化有机碳含量的增幅分别为20.11%和41.94%。而裸地旱作较常规水作显著降低上述各组有机碳含量及活性有机碳分配比例和碳库管理指数,其中总有机碳、颗粒有机碳、热水提取有机碳和易氧化有机碳含量的减幅分别为4.62%、13.95%、17.76%和19.04%。在旱作条件下,与裸地旱作相比,覆草旱作和免耕覆草旱作显著提高土壤总有机碳含量,增幅分别为8.91%和12.61%。与裸地旱作相比,免耕覆草旱作、覆草旱作和免耕裸地旱作均显著提高各组活性有机碳含量及其分配比例和碳库管理指数。 三、常耕覆草旱作稻田土壤氮素转化特征 1.不同水稻栽培模式下晚稻田土壤铵态氮、硝态氮和矿质氮含量均有明显变化。与常规水作相比,覆草旱作和裸地旱作显著降低晚稻移栽前和抽穗期土壤铵态氮含量,减幅分别为11.96%~23.44%和24.83%~30.50%,而显著提高晚稻成熟期土壤铵态氮含量,增幅分别为29.91%和28.86%。与常规水作相比,覆草旱作和裸地旱作显著提高晚稻移栽前、抽穗期和成熟期土壤硝态氮含量,增幅分别为56.82%~115.75%和38.77%~83.85%。与常规水作相比,覆草旱作显著提高晚稻移栽前和成熟期土壤矿质氮含量,增幅分别为35.67%和43.69%。在三个晚稻的时期,覆草旱作和裸地旱作稻田土壤无机氮主要以硝态氮为主。 2.覆草旱作较裸地旱作显著提高晚稻成熟期土壤可矿化氮含量,增幅为24.65%。覆草旱作较常规水作显著提高晚稻抽穗期土壤微生物量氮含量,增幅为40.10%,较裸地旱作显著提高成熟期土壤微生物量氮含量,增幅为28.69%。与裸地旱作和常规水作相比,覆草旱作显著提高晚稻抽穗期和成熟期土壤脲酶活性,增幅分别为30.68%~30.72%和56.75%~32.94%。 3.通过相关分析得出,土壤脲酶与土壤全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮、矿质氮和可矿化氮存在着显著或极显著的正相关关系。 四、免耕覆草旱作水稻的生产力特征 1.在晚稻分蘖期,免耕覆草旱作的水稻株高和分蘖数与免耕水作的差异不显著,而免耕裸地旱作的水稻株高较免耕水作显著降低。 2.在晚稻抽穗期,免耕(覆草和裸地)旱作的水稻剑叶和倒2叶叶面积显著低于免耕水作,减幅分别为23.02%和19.13%。免耕裸地旱作的水稻倒3叶叶面积显著低于免耕水作,减幅为14.97%,而覆草旱作与免耕水作的差异不大。 3.在晚稻灌浆期,免耕覆草旱作水稻的总根尖数显著高于免耕水作。免耕覆草旱作的根总长、总根尖数和根干重显著高于免耕裸地旱作。免耕覆草旱作和免耕水作的水稻根平均直径显著低于免耕裸地旱作。 4.在晚稻拔节期至成熟期,免耕覆草旱作水稻地上部干物质量与免耕水作的差异不大,但两者都显著高于免耕裸地旱作,增幅分别为9.21%~26.90%和16.70%~36.99%。 5.免耕覆草旱作晚稻产量与免耕水作的差异不大,但两者都显著高于免耕裸地旱作,增幅分别为37.57%和34.38%。免耕覆草旱作和免耕水作的有效穗均显著高于免耕裸地旱作。


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