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粪肥还田对农田生态系统氮素的影响及径流流失风险评估

作　者: 朱利群
导　师: 卞新民
学　校: 南京农业大学
专　业: 生态学
关键词: 粪肥轮作氮素利用率污染风险氮素径流流失
分类号: S158
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着农业产业结构的不断调整,畜禽养殖业在我国得到了快速发展,为农业增效、农民增收做出了重要贡献,但畜禽养殖业在快速发展的同时亦带来了诸多的问题。养殖总量的迅速增长,推动了畜禽粪便废弃物的大幅度增加,由于国内大部分养殖场环保观念弱,处理能力缺乏,导致大量畜禽粪便未能进行有效的处理利用而直接排入环境,对环境造成了严重的污染。畜禽粪便作为有机肥施入农田,不仅能够改良土壤,提高土壤肥力,而且通过参与农田生态系统的物质循环,可增加作物产量和提高品质。粪肥就近还田作为传统的农牧结合的处理方法,比较适合我国国情,在我国东北、华北等地一次性基施粪肥的现象非常普遍,而在长江下游地区部分农户也有基施粪肥的良好习惯。粪肥还田也有制约因素,而最重要则是粪肥还田后的二次污染问题,因为一定面积范围内的土壤和作物对养分的吸收能力是有限的,如果还田过量,多余的养分一定会随着水分流失或者通过变成气体等方式流失。因此,如何科学合理地施用粪便有机肥,对于维护土壤环境质量和确保农业的可持续发展具有十分重要的意义。本文通过连续二年半(五季)将不同水平的猪粪、牛粪施入水稻-黑麦草轮作系统的大田试验及一年半(三季)的盆栽试验,研究了不同类型粪肥还田下、粪肥不同还田水平下及粪肥连续还田下对水稻、黑麦草产量或生物量的影响,对水稻、黑麦草氮素吸收,及对农田土壤氮素剖面分布、氮素盈余和农田系统氮素损失的影响,旨在确定水稻-黑麦草轮作农田不同季节适宜的粪肥还田范围,在保证农田最大限度消纳养殖场粪肥及取得一定农业效益的同时,尽量减少粪肥还田对环境可能带来的二次污染,为规模化养殖场粪肥还田处理提供参考依据；本文还针对稻作区稻田水肥管理特点,构建了降雨-径流-氮素流失模拟模型,研究了不同水平粪肥施用下稻田氮素径流流失的风险,比较了稻田在养殖场粪肥一次性基肥还田与常规化肥施用下氮素径流流失的差异。主要结论如下：1、在一定还田水平范围内,水稻和黑麦草的生物量或产量基本上都随着粪肥还田水平的提升而不断增加,但超过此范围则增加潜力不大甚至会使作物受害。对水稻而言,粪肥第一年还田时,除猪粪最高水平处理时(P5)的生物量或产量发生下降以外,其他处理下都是随着还田水平的提升而不断增加,但连续二年还田和连续三年还田时,水稻的生物量或产量的最大值明显向低水平处理方向移动,第三年甚至前移到了P2水平；对黑麦草而言,虽然第一年还田下的生物量随着粪肥还田水平的提升而不断增加,但连续二年还田时,C5处理下的生物量也出现了稍低于C4处理的现象。如果只考虑粪肥还田对作物产量或生物量的影响,猪粪还田时,第一年水稻在P3至P4间为适宜还田量,第二年在P2至P4间为适宜还田量,第三年则在P1至P2间为适宜还田量；牛粪还田时,第一年水稻在C3至C5间为适宜还田量,第二年在C2至C5间为适宜还田量,第三年则在C2至C4间为适宜还田量；对黑麦草而言,猪粪还田下,不论是第一年还是连续还田下的第二年,均以P4至P5水平为适宜还田范围；牛粪还田下,第一年以C4至C5间为宜,第二年则以C4水平为宜。2、对水稻而言,粪肥第一年还田时,除猪粪最高水平处理时(P5)水稻植株的氮素吸收量比相邻处理要低外,其他处理下的吸氮量都是随着还田水平的提升而不断增加,但随着粪肥还田水平的提升,相邻处理间氮素吸收量的增幅程度在逐渐减少；连续二年或三年还田时,水稻植株吸氮量出现了先升后降的趋势,而且最高吸氮量明显向低处理水平方向移动,第三年甚至前移到了P2水平,盆栽条件下第二年甚至出现了秧苗大量死亡的现象；对黑麦草而言,虽然第一年还田下的植株吸氮量均随着粪肥还田水平的提升而不断增加,但连续二年还田时,C5处理下的植株氮素吸收量也出现了低于C4处理的现象。不论是猪粪还是牛粪还田,三年大田水稻的氮素农学利用率、水稻-黑麦草轮作第一年和第二年的氮素回收利用率及土壤依存率均随着粪肥还田水平的提升而不断降低。3、水稻-黑麦草轮作体系粪肥连续还田下,三年中每季作物收获后不同土层土壤全氮含量均表现为表层最高,越往深层其含量越低,从表层到20cm土层下降较快,而20cm以下土层下降较缓慢,每季作物收获后同一土层中土壤全氮含量基本上随着粪便还田水平的提升而不断增加,而且越往深层,不同还田水平间的差异性越小；第一年水稻收获后,粪肥不同还田水平下的土壤全氮含量基本保持在同一水平的土层主要分布在20-50cm,黑麦草收获后则下降到了30-50cm土层,第二年的黑麦草收获后,甚至下降到了40-50 cm土层,而到第三年的水稻收获后已基本没有全氮含量在不同粪肥还田水平下处于同一水平的土层。不论粪肥还入大田一年后还是两年后,水稻-黑麦草轮作系统土壤耕作层的氮素含量均高于土壤背景值,耕作层土壤氮素含量和氮素盈余量均随着粪便还田水平的提升而不断增加,同一还田水平下,二年后土壤耕作层含氮量均高于一年后的土壤含氮量,且还田水平越高,两者间的差异就越大。4、不论是猪粪还是牛粪还田处理,不论是第一年稻季、黑麦草季还是第二年稻季、黑麦草季或第三年稻季,抑或是第一年或第二年的轮作周年,水稻-黑麦草轮作系统的氮素损失量和损失率基本上均随着粪肥处理水平的提升而不断增加；和水稻-黑麦草轮作第一年稻季、黑麦草季或周年的氮素损失率相比,第二年稻季、黑麦草季或周年的氮素损失率普遍更高,但差异不大。综合粪肥还田下的农业效益及对环境的影响,水稻-黑麦草轮作系统第一年稻季猪粪的适宜还田量在P3(纯氮876kg/hm2)水平左右,牛粪为C3(纯氮876kg/hm2)水平左右,第一年黑麦草季猪粪的适宜还田量在P4(纯氮552kg/hm2)至P5(1104kg/hm2)水平之间,牛粪为C4(纯氮808kg/hm2)水平左右；第二年稻季猪粪的适宜还田量在P2(纯氮438kg/hm2)水平左右,牛粪在C2(纯氮438kg/hm2)至C3(纯氮876kg/hm2)水平之间,第二年黑麦草季猪粪的适宜还田量在P4(纯氮552kg/hm2)水平左右,牛粪仍为C4(纯氮808kg/hm2)水平左右；水稻-黑麦草轮作系统第三年稻季猪粪的适宜还田量在P1(纯氮219kg/hm2)至P2(纯氮438kg/hm2)水平之间,牛粪则在C2(纯氮438kg/hm2)水平左右。5、不论是施用化肥,还是一次性基施牛粪,抑或是施用不同水平的牛粪,水稻生长期的氮素径流流失量与降雨量间均存在显著的线性相关性,但是有时也会产生较大的偏差；牛粪施用下的氮素径流流失量均明显小于化肥施用下的流失量；高水平牛粪施用下稻田氮素径流流失量明显比中等水平牛粪施用下的氮素径流流失多,中等水平牛粪施用下的氮素径流流失量又明显比低水平下的要高。

全文目录

摘要  8-11
ABSTRACT  11-15
第一章引言  15-43
  1.1 养殖场粪便排放对环境的污染问题  15-19
    1.1.1 我国养殖场粪便的排放状况  15-16
    1.1.2 养殖场粪便对环境的污染危害  16-19
  1.2 养殖场粪便的处理途径  19-21
    1.2.1 还田处理  19-20
    1.2.2 制成饲料  20
    1.2.3 转变成能源  20-21
  1.3 粪肥还田对农田生态系统氮素影响研究进展  21-26
    1.3.1 粪肥还田对作物产量或生物量的影响  21-22
    1.3.2 粪肥还田对作物氮素吸收的影响  22-23
    1.3.3 粪肥还田对土壤氮素的影响  23-25
    1.3.4 粪肥还田对氮素损失的影响  25-26
  1.4 农田氮素流失模型研究进展  26-28
  1.5 问题的提出  28-30
  参考文献  30-43
第二章研究内容与技术路线  43-45
  2.1 研究目的和意义  43
  2.2 研究内容  43-44
  2.3 研究技术路线  44-45
第三章材料与方法  45-51
  3.1 大田试验  45-47
    3.1.1 供试材料  45
    3.1.2 试验设计  45-47
  3.2 盆栽试验  47-49
    3.2.1 供试材料  47-48
    3.2.2 试验设计  48-49
  3.3 样品的采集与制备  49-50
    3.3.1 土样的采集与制备  49
    3.3.2 植株样的采集与制备  49-50
  3.4 测定项目及测定方法  50
  3.5 数据分析  50
  参考文献  50-51
第四章粪肥还田对作物产量或生物量的影响  51-63
  4.1 粪肥还田对水稻产量及生物量的影响  51-56
    4.1.1 对第一年水稻产量及生物量的影响  51-53
    4.1.2 对第二年水稻产量及生物量的影响  53-54
    4.1.3 对第三年水稻产量及生物量的影响  54-55
    4.1.4 对不同年份大田水稻产量的影响  55-56
  4.2 粪肥还田对水稻收获指数的影响  56-57
  4.3 粪肥还田对黑麦草生物量的影响  57-59
  4.4 讨论与结论  59-61
  参考文献  61-63
第五章粪肥还田对作物氮素吸收的影响  63-79
  5.1 粪肥还田对水稻植株氮素吸收的影响  63-67
    5.1.1 对第一年水稻植株氮素吸收的影响  63-64
    5.1.2 对第二年水稻植株氮素吸收的影响  64-66
    5.1.3 对第三年水稻植株氮素吸收的影响  66
    5.1.4 对不同年份大田水稻植株氮素吸收的影响  66-67
  5.2 粪肥还田对黑麦草植株氮素吸收的影响  67-69
  5.3 粪肥还田对水稻-黑麦草轮作周期植株氮素吸收的影响  69-71
  5.4 粪肥还田对作物氮素利用率的影响  71-74
    5.4.1 对水稻氮素农学利用率的影响  71-72
    5.4.2 对水稻-黑麦草轮作周期氮素回收利用率的影响  72-73
    5.4.3 对水稻-黑麦草轮作系统土壤氮素依存率的影响  73-74
  5.5 讨论与结论  74-76
  参考文献  76-79
第六章粪肥还田对农田生态系统土壤氮素的影响  79-91
  6.1 粪肥还田对不同土层氮素分布的影响  79-84
    6.1.1 第一年水稻收获后不同土层氮素分布  79-80
    6.1.2 第一年黑麦草收获后不同土层氮素分布  80-81
    6.1.3 第二年水稻收获后不同土层氮素分布  81-82
    6.1.4 第二年黑麦草收获后不同土层氮素分布  82-83
    6.1.5 第三年水稻收获后不同土层氮素分布  83-84
  6.2 粪肥还田对土壤氮素含量及盈余的影响  84-86
    6.2.1 粪肥还田对土壤氮素含量的影响  84-86
    6.2.2 粪肥还田对土壤氮素盈余的影响  86
  6.3 讨论与结论  86-88
  参考文献  88-91
第七章粪肥还田对农田系统氮素损失的影响  91-101
  7.1 水稻-黑麦草轮作系统第一年氮素损失  91-94
    7.1.1 第一年稻季氮素损失  91-92
    7.1.2 第一年黑麦草季氮素损失  92-93
    7.1.3 第一年轮作周期氮素损失  93-94
  7.2 水稻-黑麦草轮作系统第二年氮素损失  94-96
    7.2.1 第二年稻季氮素损失  94-95
    7.2.2 第二年黑麦草季氮素损失  95-96
    7.2.3 第二年轮作周期氮素损失  96
  7.3 水稻-黑麦草轮作系统第三年稻季氮素损失  96-97
  7.4 讨论与结论  97-99
  参考文献  99-101
第八章粪肥还田下稻田氮素径流流失风险评估  101-119
  8.1 模型构建  101-109
    8.1.1 模型构建思路  101-102
    8.1.2 模型表达  102-104
    8.1.3 稻田田面水总氮浓度自然衰减速率获取  104-108
    8.1.4 模型验证  108-109
  8.2 稻田氮素径流流失风险评估  109-114
    8.2.1 模型参数设定  109
    8.2.2 不同类型肥料施用下稻田氮素径流流失风险  109-112
    8.2.3 粪肥不同水平施用下稻田氮素径流流失风险  112-114
  8.3 讨论与结论  114-116
  参考文献  116-119
第九章讨论与结论  119-131
  9.1 讨论  119-123
    9.1.1 粪肥还田对作物产量及生物量的影响  119
    9.1.2 粪肥还田对作物氮素吸收的影响  119-120
    9.1.3 粪肥还田对农田土壤氮素的影响  120-121
    9.1.4 粪肥还田对农田系统氮素损失的影响  121-122
    9.1.5 粪肥还田下稻田氮素径流流失特点  122-123
  9.2 主要结论  123-124
  9.3 创新点  124
  9.4 研究展望  124-126
  参考文献  126-131
攻读博士学位期间发表的论文  131-133
致谢  133

粪肥还田对农田生态系统氮素的影响及径流流失风险评估

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