麦玉两熟农田土壤有机碳组分变化及其与土壤微生物多样性的关系

发布时间：2020-05-28 20:39

【摘要】：土壤固碳对提高土壤质量、缓解气候变化等问题至关重要,不同耕作措施与秸秆还田显著影响土壤有机碳组分。然而,土壤固碳的主导机制尚不明确,从微生物的角度来探究土壤固碳问题,将更好地解释土壤固碳的微生态机制,从而对提升土壤固碳潜能、提高作物产量具有重要指导意义。本试验以华北平原最具代表性的冬小麦—夏玉米生态系统为研究对象,基于14年长期定位保护性耕作和秸秆还田农田(始于2002年),研究了常规翻耕(C)、深松(S)、旋耕(R)条件下秸秆还田(F)和秸秆不还田(0)对土壤基本理化性质、有机碳组分、微生物群落、作物产量的影响,并探究了作物产量、土壤有机碳组分变化的影响因素。主要研究结果如下:1耕作方式与秸秆还田对土壤有机碳组分的影响秸秆还田显著提高了0-30 cm土层的总有机碳含量,土壤有机碳含量表现为在0-15 cm土层中深松处理最高,而在15-30 cm土层中翻耕最高。秸秆还田在小麦、玉米的拔节期和灌浆期均显著提高了微生物量碳含量,但显著降低了收获期的微生物量碳含量。土壤微生物量碳含量在0-15 cm土层中表现为,深松分别显著高于翻耕和旋耕58.3%和22.2%,而在15-30 cm土层中表现为翻耕分别显著高于深松和旋耕的6.9%和29.6%,深松显著高于旋耕21.2%。在0-15 cm土层中,秸秆还田显著提高了土壤可溶性有机碳含量,深松显著高于翻耕和旋耕的7.3%和7.9%,但在15-30 cm土层中,翻耕显著高于深松和旋耕7.5%和17.9%,深松显著高于旋耕12.6%。2土壤有机碳组分的影响因素相对于秸秆不还田,秸秆还田仅显著提高了土壤0-15 cm土层的含水量;与翻耕相比,深松与旋耕的平均土壤含水量分别显著提高了11.8%和6.7%。秸秆还田仅显著降低了0-15 cm土层的土壤容重,与常规翻耕相比,深松和旋耕均显著降低了0-30cm的土壤容重。土壤pH值在0-15 cm土层中表现为酸性,与秸秆不还田相比,秸秆还田仅显著提高了土壤0-15 cm土层pH值的1.7%,深松平均土壤pH值在15-30 cm土层为7.10,显著高于翻耕和旋耕14.7%和9.4%。秸秆还田的平均土壤全氮含量比秸秆不还田显著提高了15.6%,翻耕全氮含量在0-15 cm土层中显著低于深松和旋耕,而在15-30 cm中显著高于深松和旋耕。总有机碳主要受总氮、容重、含水量的显著影响,微生物量碳主要受总氮、含水量的显著影响,可溶性有机碳主要受总氮的显著影响。土壤含水量、容重、总氮、pH均显著影响了土壤微生物群落功能和结构,较高的土壤容重对常无、旋无处理的微生物碳源代谢能力与微生物群落结构产生了消极的影响,而较高的土壤含水量和总氮含量、适宜的pH值均显著提高了深还处理的微生物碳源代谢能力与多样性,也促使深还处理的微生物群落结构向有利于有机碳组分积累的方向演变。土壤微生物群落进而显著影响了土壤有机碳组分。总有机碳、微生物量碳、可溶性有机碳均与碳源代谢强度呈显著的正相关;土壤微生物菌门类丰度可以在一定程度上预测土壤有机碳组分的变化,总有机碳主要受变形菌门、疣微菌门的显著影响,微生物量碳主要受变形菌门的显著影响,可溶性有机碳主要受厚壁菌门的显著影响;微生物基因功能丰度也可以预测有机碳组分的含量变化,土壤有机碳与SEED数据库中与碳水化合物代谢途经有关的CO_2固定代谢途径呈显著正相关,土壤微生物量碳与糖类(L2)、主要碳水化合物代谢、一碳代谢各代谢途径呈显著正相关,土壤可溶性有机碳与主要碳水化合物代谢、单糖、一碳代谢呈显著正相关。3作物产量的影响因素深松与秸秆还田均显著提高了小麦、玉米产量。以总有机碳(x_1)、微生物量碳(x_2)、可溶性有机碳(x_3)为自变量,以小麦产量(y_1)、玉米产量(y_2)为因变量,进行双重筛选逐步线性回归分析,回归方程如下y1(28).04 96x1(10).0433x2(r(28).086,p(27).001),y2(28)-10.3 9x2(10)11.167x3-0.088(r(28)0.999,p(27)0.01)小麦产量主要受总有机碳、微生物量碳的显著影响;玉米产量主要受微生物量碳、可溶性有机碳的显著影响。因此,深还处理是提高土壤固碳和保持较高微生物多样性的最优组合模式。深松与秸秆还田均可以显著影响土壤基本理化性质,从而促使微生物群落功能和结构发生变异,进而影响了土壤有机碳组分的变化,最终显著提高了作物产量。
【图文】：

拔节期,玉米,小麦收获,小麦灌浆

图 1 0-15 cm 和 15-30 cm土层下不同处理的土壤含水量Fig. 1 The soil water content of different treatments in 0-15 cm and 15-30 cm soil layer注：WJ：小麦拔节期，WF：小麦灌浆期，WH：小麦收获期，MJ：玉米拔节期，MF：玉米灌浆期，MH：玉收获期；CF：常还，C0：常无，SF：深还，S0：深无，RF：旋还，，R0：旋无。下同Note: WJ: Wheat jointing stage, WF: Wheat filling stage, WH: Wheat harvesting stage, MJ: Maize jointing stage, MMaize filling stage, MH: Maize harvesting stage; CF: Conventional tillage and full straw returning, C0: Convention

土壤容重,土层,土壤,耕作方式

图 2 0-15 cm 和 15-30 cm土层下不同处理的土壤容重Fig. 2 The bulk density of different treatments in 0-15 cm and15-30 cm soil layer3.1.3 耕作方式与秸秆还田对土壤 pH 的影响土壤 pH 值在小麦季与玉米季的整个生育期内之间无显著差异；两季的土壤 p值从拔节期到收获期呈现微弱的上升趋势；15-30 cm 土层的 pH 值显著高于 0-15 c
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S153.6;S154.3

【参考文献】