南方稻区连续免耕对土壤性质及流域水文水质的影响

【摘要】经过几十年的发展,免耕、少耕等保护性耕作措施在国内外已得到广泛应用,成为提高农业劳动效益和农田环境保护的重要途径。然而,免耕对土壤理化性质和养分流失过程影响的研究结果尚存在较大差异,因此,将田间尺度土壤性质变化的分析和流域尺度水文水质模拟研究相结合,明确免耕制度下田间土壤理化性质演化及其对水文水质影响规律,从而制定科学的田间管理措施,实现经济和环境效益的双赢,成为进一步完善和发展稻田免耕技术、促进应用推广的关键。本文在系统总结国内外相关研究的基础上,以我国南方地区(绍兴)典型的单季水稻生产大田和典型农业流域(绍兴市长乐江流域)为研究对象,运用土壤学、生态学、环境科学等理论和方法,通过野外调查、实验分析、计算机模拟,围绕免耕措施对土壤理化性质演化及流域水文水质影响问题,田间尺度针对不同耕作措施对土壤性质影响的实质,按土壤质地的不同进行分类,系统研究耕作措施和免耕年限对不同质地土壤理化性质变化影响的机理,从而试图解释目前大量免耕研究结果不一致的问题；基于田间尺度结果获得相关的参数取值,建立了模拟流域水文和养分循环过程的SWAT模型,定量分析了不同耕作措施对流域水文和水质过程演化规律的影响,评估了稻田免耕在流域尺度上对水环境的影响；运用田间尺度土壤性质变化的分析结果来解释免耕对流域水环境的影响,运用流域尺度模型模拟的结果来验证免耕对田间土壤环境的影响,基于以上田间和流域尺度的研究,探讨了土壤可持续发展和水环境保护条件下连续免耕的适宜年限,为实现我国东南地区稻田免耕生产的经济和环境效益双赢,进一步推动免耕技术的应用推广奠定坚实的基础。本文的主要结果与结论如下：1.在无秸秆覆盖条件下,随着免耕年限的增加,粘壤土类和粘土类稻田土壤的耕层均有紧实度提高的趋势,特别是粘土类土壤,导致耕层变浅明显；在相同免耕年限条件下粘土类稻田土壤容重的增加也比粘壤土类土壤的明显。2.随着免耕年限的延长,粘壤土类和粘土类两种土壤0-10cm表层的有机质含量呈现相反的变化趋势,即粘壤土类土壤总体呈现随免耕年限延长而显著提高,而粘土类土壤中则总体呈现显著降低的趋势；对10-20cm土层而言,两种质地土壤的有机质含量均明显低于表层土壤,且随免耕年限的延长有降低的趋势；土壤全氮和碱解氮含量的变化趋势与有机质相一致；在免耕条件下粘壤土类和粘土类稻田土壤全磷、有效磷、全钾和速效钾含量无明显变化规律。3.随着免耕年限的增加,稻田免耕土壤微生物单体PLFA丰度和磷脂脂肪酸总量比常规耕作有显著增加,占优势的微生物种群结构保持相对稳定；免耕2年、4年、6年和8年稻田间的土壤微生物群落结构相似度较高,与常规耕作有较大差异；多年连续免耕稻田土壤中代表细菌的脂肪酸含量显著高于常规耕作。两组被用作环境胁迫的指示性PLFAs表明,在常规耕作条件下稻田土壤微生物受到了生理学胁迫。4.从连续免耕粘壤土类和粘土类稻田土壤理化性质的变化分析表明：在无秸秆覆盖条件下,连续免耕对粘壤土类水稻土的适宜性总体优于粘土类水稻土。粘土类水稻土是我国东部地区分布非常广泛的主要高产水稻土之一。综合考虑耕作效益和土壤性质的变化,建议我国南方的粘土类水稻土至少应隔3-4年进行一次完全的翻耕,而对于粘壤土类水稻土的翻耕间隔可以略长。5.少、免耕改变土壤理化性质,进而影响径流的形成和路径,使得基流增加,地表径流和总径流下降,泥沙迁移减少。随着耕作强度的减小,与常规耕作相比,稻田免耕使2004-2009年研究区平均基流增加了1.83%,地表径流和总径流分别减少了3.81%和0.30%。少耕介于免耕和常规耕作之间。从宏观上看,免耕对流域水量平衡的影响较小,但显著减少泥沙入河量。6.少、免耕对长乐江流域水质的影响主要在于减少有机氮、有机磷、吸附态磷和随地表径流进入河道的硝态氮的入河量。与常规耕作相比,免耕分别减少有机氮入河量34.02%、有机磷入河量28.73%、吸附态磷入河量4.03%和随地表径流进入河道的硝态氮入河量4.05%,而分别增加随测渗流和基流进入河道的硝态氮0.37%和1.47%。总体来说,免耕平均减少TN入河量3.13%和TP入河量16.60%。总氮入河量最小值出现在免耕第4年(2006年),总磷入河量最小值出现在免耕第3年(2005年)。7.以田间尺度的研究结果来看,综合考虑耕作效益和土壤性质的变化,建议我国南方的粘土类水稻土至少应隔3-4年进行一次完全的翻耕,而对于粘壤土类水稻土的翻耕间隔可以略长。而免耕对长乐江流域水量和水质影响的模拟结果也表明,在免耕3-4年非点源污染TN和TP最小,而随着免耕年限的继续延长,非点源污染入河量又有所增加。因此,综合考虑耕作效益、田间土壤性质的变化和流域尺度模型模拟结果,本研究区域内的稻田免耕连续实施年限以4年为宜,这即有利于实现免耕稻田土壤的可持续利用,也有利于减少非点源养分污染。本文主要创新点和特色如下：1.针对免耕条件下土壤理化性质变化研究结果不一致的现状,提出了按土壤质地的不同进行分类研究的方法,初步得出了连续免耕对粘壤土类水稻土的适宜性总体优于粘土类水稻土的结论,为进一步推动水稻免耕技术的完善和推广应用提供理论依据。2.基于田间尺度土壤性质的变化,应用SWAT模型,定量分析了不同耕作措施对流域水量和水质的影响,从流域尺度上阐明了免耕的水土保持特性,明确了流域径流、泥沙及养分的流失量随免耕年限的变化规律,为进一步科学制定流域水污染控制措施和对策提供了重要依据。3.结合田间和流域尺度研究,在综合考虑免耕对经济效益、土壤性质和养分流失影响的基础上,提出了我国南方水稻土至少应隔4年左右进行一次完全翻耕的建议,为实现稻田免耕技术的进一步推广和发展提供重要技术支撑。
【作者】龚冬琴；
【导师】吕军；
【作者基本信息】浙江大学，土壤学，2014，博士
【关键词】免耕；土壤质地；SWAT模型；养分循环；水文；宁绍平原；

【参考文献】
[1]刘连伟.基于Mini PCI数据采集接口电路的研究与设计[D].西安电子科技大学,电力电子与电力传动,2012,硕士.
[2]林培新.中国青年创业国际计划（YBC）在泉州的发展现状及对策研究[D].华侨大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[3]寿洩仁.施工企业项目红线成本预算管理实践研究[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[4]徐文.瑞典电信市场综述[J].世界电信.2002(12)
[5]方冠男.当代中国军旅背景下的云南边塞话剧[D].云南艺术学院,当代中国话剧研究,2014,硕士.
[6]车靖.A Tentative Study on Conversation Style of Different Genders in Audio Computer-mediated Communication[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[7]孙传江.开胸手术对肺氧合功能及血流动力学影响的临床研究[D].北京市结核病胸部肿瘤研究所,麻醉学,2004,硕士.
[8]任禾.《搜神记》中的救难故事研究[D].西南大学,中国古代文学,2014,硕士.
[9]严蓉.组织间目标差异对组织间应急合作关系的影响研究[D].武汉纺织大学,企业管理,2014,硕士.
[10]苏斌.鼓浪屿的文化传承危机与对策[D].华侨大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[11]闾海鑫.基于供应链的船舶制造企业成本管理研究[D].江苏科技大学,会计学,2013,硕士.
[12]林帅.MIMO无线光通信接收技术研究[D].华中科技大学,光学工程,2013,硕士.
[13]景依凤.奇异大系统的分散预测控制研究[D].鲁东大学,运筹学与控制论,2013,硕士.
[14]苗兴军.发展金属再生科研具有重要意义[J].金属再生.1988(01)
[15]张梦月.多支线混合流水线同期化问题研究[D].沈阳工业大学,工业工程,2013,硕士.
[16]张翅翔.大流量工况下离心泵内部流动特性研究[D].浙江理工大学,机械电子工程,2014,硕士.
[17]郭慧.行间耕播机弹性镇压装置研究与试验[D].吉林大学,农业机械化工程,2014,硕士.
[18]严云珊.社会融资结构深化与商业银行业务转型研究[D].浙江大学,2014.
[19]缪纲.面向视频后处理芯片的FPGA原型流程的研究和实现[D].浙江大学,通讯与信息系统,2004,硕士.
[20]陈松涛.烟草公司信息采集与分析系统的设计和实现[D].吉林大学,软件工程,2013,硕士.
[21]阮晶晶.昆明市高星级酒店实习生人力资源开发研究[D].云南大学,工商管理,2012,硕士.
[22]邵武军.倪嗣冲与安武军研究[D].安徽大学,专门史,2014,硕士.
[23]叫思成.幼儿园生态式舞蹈教学活动的行动研究[D].湖南师范大学,学前教育学,2013,硕士.
[24]黄真芝.MWCNTs与疏水纳米级SiO_2分别填充单或双基体高分子体系的结构、导电性与流变行为[D].浙江大学,高分子化学与物理,2012,硕士.
[25]马一粟.任务型教学法在初中英语口语教学中的应用[D].曲阜师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[26]王蕙.大理白族佛教乐舞形态及本土化[D].云南艺术学院,少数民族舞蹈史,2014,硕士.
[27]任旨梁.图像识别技术在智能视频监控系统中的应用研究[D].东北大学,控制理论与控制工程,2011,硕士.
[28]赵晓伟,赵平,朱丽薇,倪广艳,曾小平,牛俊峰.木荷树干夜间水分补充的季节动态及其与树形特征和叶片生物量的关系[J].植物生态学报,2013,03:239-247.
[29]李璐.村级民办园的生存与发展研究[D].华中师范大学,学前教育学,2014,硕士.
[30]张娟.民营经济发达地区城市化进程与城乡收入差距的相关性[D].浙江工商大学,区域经济学,2013,硕士.
[31]王婷.微博舆论传播的生态治理[D].兰州大学,思想政治教育,2013,硕士.
[32]朱伟.我国审计期望差距的构成要素及缩小对策之研究[D].浙江工商大学,会计学,2013,硕士.
[33]孙晓菊.Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹在16MnDR制压力容器壳体中的研究[D].北京化工大学,化工过程机械,2013,硕士.
[34]孟莉思.严寒地区土壤空气复合热源热泵的应用研究[D].哈尔滨工业大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[35]毕怀河.G3汽车催化剂差异化营销研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[36]俞彤.经济民主·政治民主·人民民主[D].新疆师范大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[37]任红春.现场指认的立法问题研究[D].大连海事大学,法律,2012,硕士.
[38]徐朝阳.当前中学生人文素养缺失问题分析及对策研究[D].华中师范大学,教育学原理,2014,硕士.
[39]刘雯.电场激活和压力辅助法制备AlMgB_(14)基超硬复合材料及性能表征[D].太原理工大学,2012.
[40]彭昕祥.石墨烯纳米带光电性质研究[D].湖南师范大学,2009.
[41]朱洁群.鄞州区某高校学生性相关知识、态度、行为现状及影响因素研究[D].浙江大学,流行病与卫生统计学（专业学位）,2013,硕士.
[42]余明明.基于混沌粒子群算法的大型水电站自动电压控制优化研究[D].华中科技大学,水利水电工程,2013,硕士.
[43]张清峰.科学发展观视阈下的农村土地流转研究[D].浙江财经学院,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[44]高瑞芳.基于离子液体和纳米材料的氧化还原蛋白质修饰电极研究[D].西北大学,2010.
[45]巨创.不锈钢管道药芯焊丝免充氩打底焊接技术研究[D].兰州理工大学,材料加工工程,2013,硕士.
[46]宋志冬.西昆仑麻扎地区岩浆岩岩石化学特征及成因分析[D].成都理工大学,第四纪地质学,2013,硕士.
[47]傅媛.中小板公司并购中股份流动性折价研究[D].北京交通大学,2014.
[48]李斌.顾客价值管理理论在黑龙江移动呼叫中心的应用研究[D].四川大学,2004.
[49]苗振海.基于机器视觉的FPC检测对位系统关键技术研究与开发[D].机械科学研究总院,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[50]刘文婷.政府公信力滑坡现象研究[D].西北大学,行政管理,2013,硕士.