轮作体系下长期施肥对黑土养分平衡与腐殖质组分及结构动态变化影响的研究

发布时间：2020-04-05 03:02

【摘要】：土壤有机质的重要性和复杂性一直是国内外学者研究的热点。土壤腐殖质作为土壤有机质的主体,是土壤肥力的重要物质基础,在土壤养分循环和土壤结构方面发挥着重要作用。长期过量施用化肥导致农田养分不平衡,并对土壤物理、化学和生物多样性产生不利影响。虽然国内外已开展了大量的长期定位试验,但黑土区轮作周期(小麦-大豆-玉米)施肥对土壤养分收支平衡,及黑土腐殖质组分光学特性、分子结构动态变化的影响少有报道。本研究基于黑土长期(39年)定位试验站获得的大量土壤和作物养分测定结果,分析长期轮作体系中不同施肥处理土壤养分平衡状况;并结合元素组成分析方法和热性质、红外光谱、~(13)C核磁共振波谱现代分析技术,分析长期定位试验不同轮作周期时间节点(1997、2002、2008、2012年)和不同施肥处理(有机肥与氮磷钾,MNPK;有机肥,M;氮磷钾,NPK;无肥区,CK)土壤腐殖质组分光学特性及其组分结构,目的是弄清黑土长期定位轮作施肥后养分收支状况、土壤腐殖质化学组成和结构动态变化特征,为黑土培肥提供理论依据。主要的研究结果如下:(1)轮作条件下黑土长期定位不同施肥处理影响了作物产量、增产效果和养分收支平衡。长期轮作后不同施肥处理的平均产量高低顺序为MNPKNPKMCK,施肥对作物的增产效果为小麦玉米大豆。1980年~2014年轮作周期各施肥处理N和K_2O养分含量均呈现亏缺状态,MNPK和NPK处理土壤P_2O_5养分有结余,CK处理养分总量亏缺最多为581.2 kg hm~(-2),只有MNPK处理土壤总养分盈余40.0 kg hm~(-2)。(2)黑土长期施入有机肥可增加土壤有机碳含量并改善其结构和品质。MNPK处理土壤有机碳含量较CK处理提高幅度最大,平均增加14.1%。MNPK、M和NPK处理较CK处理均可增加土壤腐殖质各组分碳含量,同时相应提高土壤HA和FA的△log K和E_4/E_6比值。随着施肥年限的增加,MNPK和M处理提高土壤腐殖质各组分碳含量,并且土壤HA的△logK值和FA的E4/E6值呈增加趋势。表明有机肥施入后可以明显提高土壤腐殖质各组分碳含量,降低土壤HA和FA芳构化度,改善其结构和品质。(3)黑土长期施入有机肥可使黑土腐殖质组分结构更加简单化。腐殖质的缩合度(H/C比表征)代表其分子结构复杂程度。与CK处理相比,MNPK、M处理土壤HA和Hu的H/C比值增加1.0%、1.1%和2.7%、6.2%,随着施肥年限的增加,MNPK和M处理土壤HA和Hu的H/C比值呈增加趋势。这说明有机肥施用后可以降低土壤腐殖质的缩合度,使其结构更加简单化。(4)黑土长期施入有机肥可增加土壤腐殖质组分中可分解有机质含量。各施肥处理土壤HA和Hu的总反应热和中温放热峰值较CK处理提高,并随施肥年限的增加,M和MNPK处理土壤HA的总反应热下降,而Hu的总反应热呈上升趋势;M、MNPK处理土壤HA和Hu的高温/中温值呈现下降趋势。这说明施用有机肥可以提高土壤腐殖质HA、Hu中可分解有机质含量,并增加脂肪族含量,降低芳构化程度,并使土壤腐殖质活性组分向惰性组分转化,增加稳定有机碳组分含量。(5)黑土长期施入有机肥改变土壤HA、Hu的红外吸收特征,提高其脂族性。与CK处理相比,MNPK和M处理提高土壤HA的2920/1620、2920/1720和2920/2850比值,并且MNPK和M处理土壤HA的IR各吸收峰比值随施肥年限呈增加趋势,表明黑土施入有机肥可以提高土壤HA的脂族性及脂族链烃比例。土壤Hu的IR测定显示,各施肥处理提高土壤Hu的2920/1620和2920/2850比值。随施肥年限的增加,MNPK处理土壤Hu的2920/1620、2920/2850比值较1997年上升6.1%和34.2%,表明有机无机肥配施提高土壤Hu的脂族性和脂族链烃比例作用更加明显。(6)黑土长期施入有机肥改变黑土HA和Hu各类型碳的比例,增加脂族碳含量。MNPK和M处理较CK处理提高土壤HA和Hu的脂族C/芳香C、烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C比值,并且施肥年限增加,MNPK、M处理土壤Hu和HA的脂族C/芳香C和烷基C/烷氧C比值呈增加趋势。这表明施有机肥可以提高黑土腐殖质的脂族碳和难降解稳定有机碳组分含量。总之本研究表明,轮作周期内MNPK施肥处理可以促进土壤中N、P、K的平衡,有效地增加土壤腐殖质含量,改善土壤腐殖质组分结构,提高作物产量。随施肥年限的增加,配施有机肥的处理可增加土壤HA和Hu的总反应热、脂族C含量和H/C摩尔比值,使其结构简单化,而单施化肥处理H/C降低,脂族C含量较CK处理下降,使其结构复杂化。因此,在黑土地区农业生产中,化肥和有机肥合理施用,确保土壤养分平衡,改善土壤有机质品质,才能不断提高黑土地区土壤肥力。
【图文】：

结构图,官能团,分子,结构图

图 1-1 腐殖质的分子官能团结构图（Stevenson，1994）Fig. 1-1 Molecular structure of humic substances (Stevenson, 1994)腐殖质分子结构复杂，分子量通常在几百到几十万道尔顿之间，是由芳香核环形成中心碳骨架支链上连接有丰富的脂肪族官能团包括羧基、酚羟基、醌基的大分子有机

氮磷钾化肥,磷钾,平均产量,配施

no fertilizer application; NPK, chemical fertilizers of nitrogen (N), phosphate (P), potassium (K); M, organic manure; MNPK, organicmanure combined with N, P, and K chemical fertilizers.各施肥处理在不同年份的作物产量变化均呈逐年上升趋势（图3-1），，从2002年~2004年期间小麦、大豆、玉米产量较其余年份产量提高，2006 年之后产量有所回落。作物产量变化与年份之间的温度和水分等自然因素影响有关，同时作物品种也会对各轮作周期作物产量产生影响，但当年施肥处理间品种是一致的。产量结果显示，不同施肥处理对大豆的增产效果影响较小，而对小麦的增产效果影响较大，其原因是大豆作物自身可以有固氮效果，所以对满足自身营养的作用较大，所以各施肥处理对其影响不显著。在土壤养分基础条件一致的情况下，气象条件可能成为产量?
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S158

【参考文献】