有机物输入量对黑土结构性质及其季节性变化的影响

发布时间：2020-09-10 15:36

　　土壤结构控制土壤中一切过程,影响土壤水分养分保持及供应的调控能力,土壤有机质是土壤结构的重要构成物质,土壤有机质长期变化和输入有机物分解过程驱动土壤结构的形成和演变。有机物还田方式影响初始土壤结构,进而影响外源有机物分解过程和土壤团聚结构变化过程,输入有机物的数量和种类不同,其在土壤中矿化损失过程不同,影响土壤有机质长期变化过程以及外源有机物的分解过程,进而控制土壤结构的形成和演变,使土壤肥力产生差异。本文以典型黑土区海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站长期定位实验为平台,系统研究了黑土连续14年施用不同数量有机肥(0、7.5、15和22.5吨/公顷;对应的处理为OM0、OM7.5、OM15和OM22.5)后土壤有机碳组分变化和土壤结构性质的变化,以此来揭示长期施用不同数量有机肥对土壤有机碳库、土壤团聚体、孔隙以及导水性质的长期影响;同时在作物生长季内每个月观测土壤有机碳组分变化和土壤结构性质变化规律,揭示土壤有机碳库季节性变化对土壤土壤团聚体、孔隙以及导水性质动态变化的影响;另外在每个试验小区内设置无作物生长区域,研究作物根系作用对生长季内土壤结构性质动态变化的影响;本文还研究了不同玉米秸秆还田量和还田方式(不还田、半量还田、全量还田和全量深翻还田)下土壤物理性质季节性变化规律,探讨秸秆还田量和还田方式对土壤结构周转过程以及土壤肥力特征的响应。主要研究结果如下:(一)长期施用不同数量有机肥后,随着有机肥施用量的增加,土壤总有机碳含量、各密度组分有机碳储量以及0.25 mm团聚体中有机碳储量均显著增加,而对0.25mm团聚体中有机碳储存量无显著影响。说明黑土区土壤仍有很大的固碳潜力,只要有机物输入量足够大,土壤可以通过土壤矿物结合态有机碳的增加和大团聚体保护机制将更多的外源有机物固定到土壤中。随着土壤有机碳含量增加,土壤团聚体稳定性、饱和导水率或1.0 mm有效孔隙含量均显著增加。(二)在作物生长季内,土壤重组有机碳储量变化不明显,游离态轻组有机碳储量随时间变化逐渐降低,同时0.25mm团聚中有机碳储量逐渐增加,土壤团聚体的稳定性也逐渐增加,随着颗粒态有机碳的继续分解,土壤团聚体稳定性降低。土壤饱和导水率和1 mm有效孔隙只在OM15和OM22.5处理中动态变化显著,且在7月和9月份显著高于其他时期。同时相关性分析显示,增加有机肥料施用量可以通过增加土壤有机碳含量和促进有机质向大团聚体内转化来增强土壤团聚体的稳定性和1 mm有效孔隙的恢复。我们的研究结果表明,在东北黑土区应在土壤中加入足够数量的有机物质(相当于一年生作物秸秆总生物量),才能保持土壤结构的恢复力以及保水排水能力。这些过程在调节土壤保水和排水能力方面发挥着重要作用,同时对提高作物产量也至关重要。(三)大豆根系生长显著增加了土壤结构的恢复能力,在种植大豆区域土壤结构的恢复能力显著高于不种大豆区域。另外有机肥施用量和根系对土壤结构周转有明显的交互作用,有机肥施用量越大,大豆根系发育越好,对土壤结构的恢复越显著。在东北黑土区,由于土壤耕作和冻融作用显著增加了5月份土壤总孔隙度,但这些孔隙结构非常不稳定,随着时间的推移和土壤内外因素的影响,这些孔隙逐渐消失,增加有机肥料施用量和作物生长通过增加土壤结构稳定性的恢复增加了土壤的抗性,从而减少土壤收缩。(四)秸秆还田显著降低了土壤容重、贯穿阻力,增加了土壤毛管孔隙和微孔隙,同时也增加了土壤饱和导水率,土壤团聚体的稳定性也随着秸秆还田量增加而增加,另外随着秸秆还田量的增加,土壤疏水性也增加。秸秆深埋对表层土壤物理性质改善不显著,但显著增加了深层土壤团聚体的稳定性、毛管孔隙度以及饱和导水率,增加了土壤的保水和透水性,同时秸秆深埋显著降低了深层土壤贯穿阻力,有助于作物的根系发育。秸秆还田不仅增加了实验开始时土壤大团聚体含量,而且使大团聚体含量从5月到6月迅速提升。在不施秸秆处理中土壤团聚体的周转主要发生在微团聚体和粉粘粒中,大团体含量变化较小,而在秸秆还田实验中,土壤团聚体的周转主要发生在大团聚体和微团聚体之间。我们的研究结果表明秸秆还田可以通过增加土壤大团聚体含量并促进大团聚体和微团聚体之间的周转来改善土壤结构,从而影响着土壤的物理性质。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S158
【部分图文】：

技术路线图

技术路线图Fig.1.1Technicalschemeofthedissertation

黑土,分布概况,中国东北

家粮食安全方面具有极其重要的地位和作用。包括黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古区东四盟（市），具体分布在我国东北松嫩平原、三江平原、大兴安岭山前平原和平原，北起黑龙江省的嫩江县和龙镇，南至吉林省四平、怀德，西至大兴安岭以内蒙哲理木盟东部地区，东达黑龙江省铁力市和宾县，此外，在小兴安岭以东省北部也有小片黑土分布（图 2.1）。黑土区的主要土壤类型有黑土、黑钙土、白、草甸土、暗棕壤等。这些土壤形成过程的基本特点是具有显著的有机质积累过生物富集作用），土壤的腐质层厚度一般在 20-100 cm 之间，pH 呈中性，主要为状母质。该区域为中温带半湿润大陆性季风气候区，种植制度基本上是一年一熟物。黑土区总面积为 7684 万 hm2，有耕地 2204 万 hm2，其中黑土的面积为 59m2，黑土耕地面积占 20.2%。区内开阔平坦，黑土分布广阔，土质肥沃，加之作长期雨热同季，从而使得本区粮食生产条件优越，主产玉米、大豆、高粱、小麦谷。

示意图,圆盘入渗仪,示意图,负水头

( )= ( + 4 / ) ( ) 水压为 h（L）下的稳定入渗率（L3T-1）；rd，入渗圆布的常数（L-1）；Ks，饱和导水速率（LT-1）。由于非线性回归方法估算出公式中的两个常数 α 和 K算不同负水头压力下土壤的入渗速率 K(h)，公式[( ) = ( ) 论，在 3、6 和 9 cm 负水头压力下对应的孔隙半径分计算 3 个孔径大孔隙分级分别为 0.33-0.5 mm、0.lle 定律，每个孔径的有效孔隙计算如下(Watson 和e, 1988)：= (8 )/( ) 粘度(M L-1T-1)，与温度有关; Kd，两个连续负水头度(M L-3)；g，重力加速度(LT-2)；r，孔径分级中

【参考文献】