有机物料投入对旱地土壤碳氮的后效作用及其模拟

发布时间：2020-09-01 19:42

　　土壤碳氮循环是农田生态系统最基本的过程,土壤有机碳和全氮含量是土壤肥力的关键指标。有机物料还田不但可以增加土壤有机质含量,提升土壤肥力,而且还能够减少废弃物对环境的污染,在缓解温室气体增加及全球气候变化等方面具有至关重要的作用。通过旱作雨养和灌溉两个田间试验研究了不同有机物料施用对土壤碳氮的影响。试验处理包括不施肥(CK)、单施氮磷肥(NP)、有机肥(MNP)、秸秆还田(SNP)、低量生物炭(B1NP)以及高量生物炭(B2NP)等6个处理。结果表明:1)旱作雨养条件下,总体来看,有机肥(MNP)处理在第三季作物收获后土壤有机碳立即下降恢复到施用前的水平,表明其基本没有后效作用;秸秆还田(SNP)总体上后效作用比MNP略强;生物炭处理(B1NP和B2NP)在第三季收获后略下降,但其后基本处于波动稳定中,表现出比较强的后效作用。在提高和维持土壤有机碳含量方面,生物炭效果强于秸秆,而有机肥效果最差。秸秆还田(SNP)在第四季作物收获后土壤全氮提升较多,其后呈下降趋势,说明秸秆有一定的后效作用。生物炭处理(B1NP和B2NP)在第三季作物收获后土壤全氮含量有升高趋势,但在其后基本处于波动稳定中,表现出比较强的后效作用。施有机物料处理第二季作物收获后土壤微生物量碳氮含量均值显著大于第一季(P0.05),而SNP处理前两季作物收获后的均值最高。四年轮作各施肥处理(NP、MNP、SNP、B1NP、B2NP)的SMBC均值显著高于CK(P0.05),分别提高18.6%、17.0%、47.3%、35.8%和20.5%;SMBN仅是SNP和B1NP分别比CK提升43.5%和35.3%(P0.05)。相比化肥,生物炭(B1NP和B2NP)基本均降低了每季作物收获后深层(100-200cm)土壤硝态氮的累积量,而秸秆和有机肥仅降低了后3季作物收获后的硝态氮累积量,表明生物炭在降低剖面硝态氮淋溶风险方面优于秸秆和有机肥。2)灌溉条件下,所有有机物料处理均在第四季作物收获后土壤有机碳和全氮最高。有机肥处理在第五季作物收获后土壤有机碳和全氮下降恢复到施肥前的水平。第五季作物收获后,秸秆还田(SNP)土壤有机碳和全氮下降,其后处以波动稳定中且高于施肥前的水平。第五季作物收获后,生物炭处理(B1NP和B2NP)的SOC下降,其后基本处于波动稳定状态,但整体高于SNP。总的来说,在提升和维持土壤有机碳方面,生物炭效果强于秸秆,而有机肥表现最差。施有机物料处理第二季作物收获后土壤微生物量碳含量显著大于第一季(P0.05),八季作物收获后进行统计分析发现,NP、SNP和B2NP对土壤微生物量氮含量增加的效果最明显。第二季作物(2014年10月)收获后土壤硝态氮累积量在100-200cm土层有机物料处理(SNP、B1NP和B2NP)显著低于NP处理,表明有机物料的施用可以阻止硝态氮随水分向下淋溶。有机物料停施后,相比化肥,生物炭处理(B1NP和B2NP)均降低了深层(100-200cm)土壤硝态氮的累积,而秸秆和有机肥降低作用不明显,表明生物炭在降低剖面硝态氮淋溶风险方面优于秸秆和有机肥,也说明生物炭后效作用比较强。3)旱作条件下,DNDC模型在秸秆还田和有机肥施用下土壤有机碳及农作物产量的动态变化模拟结果整体较好,归一化均方根误差(NRMSE)基本在可接受范围内。DNDC模型可以用来对有机物料施用下本区域土壤有机碳储量及产量变化进行长期模拟。利用校正后的DNDC模型对研究区30年旱作雨养条件下有机物料施用处理土壤表层(0-20cm)有机碳储量的动态变化进行了模拟。结果表明,与单施氮磷化肥相比,秸秆还田和有机肥处理对表层土壤有机碳储量有明显提升作用。从有机肥和秸秆停施后来看,有机肥在提高SOC储量方面无明显后效作用,而秸秆还田在相对较长时间(4年和6年)对于土壤有机碳储量有一定后效作用。总之,施有机物料有利于培肥土壤,提高土壤表层(0-20cm)硝态氮含量,减少剖面硝态氮向下淋溶。有机物料停施后,生物炭(B1NP和B2NP)依然可以有效抑制硝态氮向土壤深层累积。相对于有机肥和秸秆,生物炭的后效作用较强。DNDC模型对有机物料后效作用的长期模拟效果还有待进一步的田间验证。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S153.6

【参考文献】