不同氮素水平条件下秸秆还田对棉花产量形成的影响开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

全球的土壤有机质含有3倍于陆地植被所含的碳，并以多种形态存在于土壤中，土壤中0-0.2m土层中含有机碳量相当于615gt碳，深度为3m的土层内含2344gt碳，比生物和大气co₂中的碳总量还要多^[1]。不合理的耕作可对土壤碳储量存产生负效应，据估计由不合理的耕作引起全球农用土壤co2净释放量大约相当于每年石油燃烧释放co2量的20%^[2]。因此，土壤有机质中的碳即使是一小部分转换成co₂或是ch₄被释放，即能引起大气中这些温室气体含量的相关变化^[3]。土壤有机碳是土壤质量的核心,促进陆地生态系统碳的固定及稳定、减少温室气体排放是国际社会公认减缓气候变化的重要途径之一^[4]。通过对陆地生态系统中碳循环及未来发展趋势的研究表明，农业土壤在降低大气co₂浓度升高和减缓温室效应方面具有巨大潜力^[5]。在农田管理过程中，合理的耕作措施可以减少土壤有机质的，增加土壤中的碳储量，减少碳排放。每年全球生态系统可从大气中移除约120pg c，但119pg c（植物呼吸60pg c，土壤呼吸55pg c，生物质燃烧4 pg c）又被重新释放入大气中^[6]。因此，生态系统中的碳源碳库可维持一种平衡。截至2014年，大气co2浓度已由1750年的280ppm上升到397ppm。如果不采取适当的措施，到2100年co2浓度可增加500-1000ppm^[7]。目前来看，大气中的c每年平均增加4pg，全球平均温度正在上升，如果超过每百年0.1℃的临界速率，地球系统本身将不能使之恢复至正常水平^[8]。同时，北半球中高纬度地区的地表降雨量以每十年0.5-1%的速率增加，而亚热带地区则以0.3%的速率在减少^[9]。

氮是作物生长必需的三大营养元素之一且对作物产量的贡献最为显著。提高n肥的利用率是减少温室气体排放的措施之一^[10]。近年来，化肥用量日益增长，而厩肥、绿肥等有机肥施用量大幅度下降，秸秆成为了重要的有机肥源。目前我国秸秆中仅有20%-30%用作肥料，被燃烧和废弃的秸秆高达45-60%，不仅浪费了资源，还污染了环境，而秸秆还田是解决这一问题的重要手段^[11]。秸杆还田不仅能够使资源再生净化生态环境，而且能改变土壤团粒结构和理化性质，改善土壤透气透水能力，提高土壤肥力，活化土壤养分^{[12, 13]}。生物炭被可以影响土壤物理化学性质，如ph和营养物质的释放，也可以影响微生物的活性和群体结构。

因此本课题在大量实验的基础上，研究秸秆还田方式对不同氮素水平棉花产量形成的影响，对于解决棉花生产和土壤可持续利用的问题极具现实意义。

2. 研究的基本内容和问题

棉花是我国最重要的经济作物之一，合理的栽培管理措施不仅可以促进棉花产量的形成，还可以实现棉田土壤的合理利用。本课题在为期3年的不同氮素定位试验下，研究不同氮素水平下秸秆还田对棉花产量形成的影响。

因此，本试验通过在特定的生态环境中设置不同的氮肥水平和还田方式，旨在探索以下问题：

一、相同氮素不同水平下秸秆还田是否有利于棉花产量的形成

3. 研究的方法与方案

一、材料与方法

1 试验设计

试验于2015-2017年在江苏省大丰市稻麦原种场（砂壤土，大田试验）和南京农业大学牌楼试验站（粘土，盆栽试验）进行，在麦棉两熟周年秸秆还田下设置棉花施氮量试验，研究氮素影响麦棉两熟周年秸秆还田棉田土壤有机碳及其稳定性机制，以揭示麦棉两熟周年秸秆还田下棉花氮肥减量化效应。

选择早熟品种中棉所50，进行麦棉两熟周年秸秆还田下棉花施氮量试验，秸秆还田设置麦棉秸秆全量还田（大麦、棉花收获后将秸秆粉碎，土壤旋耕埋深10-15cm后播种）、不还田、生物C还田（按当季秸秆量：如16年棉季约为3t/ha，还两年）2种方式，棉花施氮量设置0、300、375、525 kgN hm-2 4个水平，大丰大田试验在2012-2014年3年棉花施氮量（0、300、375、525 kgN hm-2）定位试验区进行，2015-2017年施氮量较2012-2014年减少225

kgN hm-2，P、K肥与前3年施用量相同(75 kg P2O5 hm-2，225 kg K2O hm-2)；南京盆栽（直径32cm，高32cm，装土25kg）试验秸秆还田设置生物碳还田（15t/ha，还一年）、麦棉秸秆全量还田（麦季还棉杆、棉季还麦杆）和不还田3种方式，所用N肥为15N标记

大丰稻麦原种场布置图（气象站）

牌楼实验布置图

2 测定内容与方法

2.1试验区气象数据

试验气象数据日均温（℃）、降雨量（mm）、日辐射量（MJm-2d）等由田间自动气象站记载。

2.2麦棉生长发育与产量品质形成

2.2.1棉花生育调查 每小区连续选取长势一致的棉花10株，分别于15-Jun、15-Jul、15-Agu、5-Sep、5-Oct调查棉花生育状况。

2.2.2棉花群体的叶面积及光合性能

在棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期、盛絮期考察生物量的同时，利用LI-3100叶面积仪测定棉花叶面积，计算LAI；利用冠层光谱分析仪测定棉花冠层光分布，计算冠层光能利用率。在棉花盛花期、盛铃期、盛絮期测定棉花群体光合速率。

2.2.3棉花生物量、养分累积与分配及产量品质形成

在棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期、盛絮期，取长势一致的连续5-8株棉花，按照根系、茎枝、叶片、蕾和花、棉铃【种子、纤维、铃壳】分离植株。样品105℃杀青30min，80℃烘干至恒重。将烘干后的植株样品称重，计算棉花生物量。之后将植株样品粉碎测定氮、磷、钾养分含量，计算养分累积与分配。

于棉花收获期，在各小区取连续5m长的棉花植株，收取全部吐絮棉铃，测定铃数、铃重、轧花后计算籽棉产量与皮棉产量，。

对于南京盆栽试验15N标记样品，分器官粉碎后用球磨机再次研磨，过60目筛后使用百万分之一天平准确衡量4-5mg样品，用质谱仪测定相关指标。

【15N原子百分超=样品或15N标记肥料的15N丰度-15N天然丰度（0.366%）

来自肥料N的百分比%Ndff（植物）=（植物样品15N原子百分超/肥料的15N原子百分超）100%

植株不同器官15N累积量（mg）=棉株不同器官全氮吸收量（g）其Ndff00

植株吸收的N来自土壤的量=植株吸收的总N量-植株吸收的来自于施肥的15N量-其它来源的N量

植株N来自于土壤的比例=植株吸收N来自于土壤的量/植株吸收的总氮量100

15N肥利用率（%）=棉株内15N含量/15N施入量100

15N损失率（%）=100-15N肥利用率-15N土壤残留率

棉株15N回收率（%）=棉株内15N含量/15N施入量100

土壤15N回收率（%）=土壤中15N含量/15N施入量100】

2.2.4大麦生物量、养分累积与分配及产量

在大麦成熟期每小区取30个单茎，105℃杀青30分钟，80℃烘干至恒重后称重，样品粉碎后测定生物量及氮、磷、钾养分含量。

亩穗数：每个样点采用1米双行的方法（三密一稀种植的应是1米三行）测定有效穗数（单穗结粒5粒以上），计算1米单行穗数，并换算为每亩穗数。亩穗数＝（666.7m2/平均行距）1米单行有效穗数。穗粒数：在样点中随机连续抓取20个有效穗（粒数5），计数20穗的总粒数，计算单穗粒数。千粒重：各处理收获1个未取样样方脱粒, 风干后称重; 数取500 粒称重, 换算成千粒重, 2 次重复(重复间相差0.5 g), 然后80 ℃烘干称重, 计算风干籽粒含水率, 再按13%含水率计算千粒重和产量。

4. 研究创新点

研究表明在对大田长期施用无机肥处理下，棉花产量较空白试验显有提升。还有研究通过一定程度的减氮效应发现棉花依旧可以达到预期产量，即可以通过秸秆还田达到减氮效果。本课题特色之处在于针对大丰生态区探究秸秆还田对不同氮素水平下棉花产量影响效果是否一致，从而为当地棉花生产提供理论指导。

5. 研究计划与进展

本课题拟在2016年7月至2017年5月完成，2016年7月开始实验室取样分样磨样测量数据等各项工作，2016年底拟计划开题报告工作，2017年3月完成学院中期审核，2017年4月至5月完成草稿、定稿、答辩等各项工作。预计完成测量棉花叶面积及光和性能，棉花生物量、养分累积与分配及产量品质形成。通过对盆栽棉花的不同处理解决并探寻相同氮素不同水平下秸秆还田是否有利于棉花产量的形成、不同氮素水平下秸秆还田对棉花的产量影响是否一致、以及找出秸秆还田与氮素水平的最佳配套施用方式，为棉花生产提供理论依据等预期实验目标。