不同调控措施对旱作农田土壤碳氮及微生物学特性的影响

发布时间：2020-10-09 14:31

　　 农田土壤碳氮是评价农田土壤质量的重要指标,在土壤可持续利用中具有重要作用;而土壤微生物是土壤有机质转化的主要动力,调控生态系统物质循环和能量流动。然而土壤微生物对所生存的微环境十分敏感,易受不同调控措施的影响,进而改变土壤碳氮转化。覆膜是半干旱农作区增温保墒和提高作物产量的有效措施,但是覆膜条件下如何维持土壤肥力、平衡土壤碳、氮、磷三种养分元素也是亟待解决的问题。有机肥和来源于生物有机废弃物的生物炭可改善土壤微生态环境、提高土壤肥力,为旱作农田生产力可持续性研究提供了新的思路。本研究以黄土高原地区种植春玉米的旱作农田土壤为研究对象,以田间多年定位试验为基础并结合室内培养,从农田土壤-微生物-植物的角度,开展了农田土壤碳氮磷和土壤微生物的动态变化对覆膜、配施有机肥和生物炭等调控措施的响应研究,评价了不同调控措施对农田土壤养分转化和作物利用的影响。以期为优化旱作农田养分管理措施,增加农业碳汇能力,有效调控农田养分利用和土壤的可持续利用提供一定的科学依据。本研究获得主要结果如下:(1)添加不同有机物料对土壤碳氮动态的影响表现出显著差异,秸秆对土壤碳氮矿化的影响更显著。短期培养条件下,与对照相比,单施秸秆显著增加土壤累积CO_2释放量,单施生物炭对CO_2排放无显著影响,而秸秆与生物炭混合添加时CO_2累积释放量随生物炭量的增加而增加。添加有机物料增加土壤有机碳和全氮,降低矿质氮含量。~(13)C和~(15)N示踪的进一步研究表明,秸秆在分解过程中不断参与土壤碳氮的形成,秸秆碳对CO_2释放的贡献较土壤原有有机碳大而秸秆氮较多的保留在土壤中。培养前期秸秆对土壤碳矿化表现为正激发效应,而在后期负激发效应程度逐渐增强。秸秆添加提高了土壤碳的周转速率,促进了土壤有机质的更新;但显著降低土壤氮的潜在气态损失,增加土壤氮含量。(2)土壤碳氮及其组分对不同调控措施的响应不同,配施有机肥和生物炭增加土壤有机碳和总氮,但对有机碳氮组分的影响在不同生育期和不同年份差异较大。与对照(CK)相比,覆膜(PF)对有机碳和全氮的含量和储量无显著影响,有机肥配施(FM)显著增加有机碳和全氮的含量和储量。然而,与试验开始前相比,CK和PF处理有机碳和全氮表现为负增加,且PF处理的负增加程度更大;FM土壤有机碳和全氮为正增加,有利于提高土壤有机碳和全氮。2015年和2016年两年试验表明土壤有机碳氮组分在不同生育期受覆膜和施肥的影响,PF增加2015年PT和V6时期水溶性有机碳而降低2016年PT时期水溶有机碳;PF显著增加2015年和2016年V6和R5时期水溶性有机氮,FM则增加试验两年不同生育期水溶性有机碳氮;PF对2015年各生育期易氧化有机碳无影响而FM增加2015年0-10 cm土层R6时期和10-20 cm土层R5时期易氧化有机碳。与配施有机肥一样,生物炭显著增加土壤有机碳和全氮含量和储量,且30 t ha~(-1)的生物炭(BC30)增加效果更显著。与试验开始前相比,生物炭施用土壤有机碳表现为正增加,减缓了土壤有机质的消耗。对2015年和2016年有机碳氮组分的研究表明,生物炭显著增加了土壤水溶性有机碳氮和易氧化有机碳含量,不同生育期表现出不同的特征。因此,覆膜条件下配施有机肥与生物炭施用可以提高土壤有机质水平,增加土壤碳氮的有效性。(3)覆膜条件下配施有机肥显著增加试验两年玉米不同生育期土壤微生物量碳、氮和磷;增加土壤氨基糖累积量,促使土壤中微生物群落向细菌群落转变,提高土壤养分的有效性。生物炭对土壤微生物量和功能多样性的影响具有明显的异质性。覆膜条件下有机肥配施显著增加2015和2016年不同生育期的土壤微生物量碳、氮和磷,覆膜对土壤微生物量碳、氮和磷的影响则与生育期有关。与不施生物炭(BC0)相比,BC30显著降低2014年各生育期土壤微生物量碳、氮而显著增加2014年各生育期土壤微生物量磷含量和2015年各生育期微生物量碳、氮、磷。总体而言,有机肥配施和生物炭施用均对土壤微生物量有一定的促进作用。覆膜和配施有机肥7年后,0-10cm土层PF处理土壤总氨基糖累积量显著降低19.2%;FM显著增加0-10 cm和10-20 cm土层氨基糖的累积,分别增加26.3%和38.1%。不同类型的氨基糖在土壤中含量均为氨基葡萄糖(GluN)氨基半乳糖(GalN)胞壁酸(MurA)。FM处理显著降低GluN:MurA比值,促使土壤中微生物群落向细菌群落转变。对玉米拔节期生物炭对土壤微生物功能多样性影响的研究表明,生物炭显著降低土壤AWCD值和碳源利用能力,且10 t ha~(-1)生物炭(BC10)的降低作用较BC30明显;BC10显著降低0-10 cm和10-20 cm土层微生物丰富度S而显著增加10-20 cm土层微生物均匀度E,BC30显著降低10-20 cm土层土壤微生物丰富度S。由此,生物炭对农田土壤微生物功能多样性影响的差异性与生物炭对利用特定碳源微生物的选择性有关。(4)旱作农田不同调控措施下土壤、微生物量和生态酶的化学计量学特征具有较一致性和相对特异性。PF显著降低0-10 cm土层SOC:TN,FM则显著增加10-20 cm土层SOC:TP、0-10 cm和10-20 cm土层TN:TP;但FM显著降低0-10 cm和10-20 cm土层MBC:MBP,PF和FM均显著降低10-20 cm土层MBN:MBP;与CK相比,FM显著增加0-10 cm土层βG:NAG和10-20 cm土层βG:AP。生物炭对土壤生态化学计量学特征的影响则与其施用量有关。与BC0相比,BC10和BC30均显著增加0-10 cm和10-20cm土层SOC:TN和0-10 cm土层SOC:TP;BC30显著增加0-10 cm和10-20 cm土层MBC:MBN,分别增加9.8%和36.9%,BC10显著降低0-10 cm和10-20 cm土层MBC:MBP,BC10和BC30均显著降低10-20 cm土层MBN:MBP,分别降低26.8%和37.4%;BC10显著增加0-10 cm土层βG:NAG,BC30显著增加0-10 cm和10-20 cm土层βG:NAG和βG:AP。相关性分析表明MBC:MBN和βG:NAG与SOC:TN和SOC:TP显著正相关,MBN:MBP与SOC:TN、SOC:TP和NAG:AP显著负相关。因此,有机肥配施和生物炭加剧微生物体内C和N的限制,促使相应酶活性的提高使微生物截获更多的碳氮,提高土壤碳氮水平。(5)~(15)N示踪结果表明,覆膜和有机肥配施均显著增加作物产量和籽粒氮素累积量,降低当季作物对肥料氮的吸收比例。作物吸收的氮素优先分配在籽粒中,且籽粒对残留氮的吸收比例较作物其它部分在第二季作物中更大,肥料氮的后效作用不可忽略。第一季玉米收获后肥料氮有26.7%-62.6%残留在土壤中,FM显著提高了残留氮的比例,有效的补充了土壤氮的消耗。残留肥料氮主要集中在表层土壤,这有利于氮肥利用效率的增加。经过两个生长季后,施入的肥料氮的残留率在7.5%-20.2%之间,与CK相比,FM显著增加肥料氮残留率而降低肥料氮损失率,PF显著降低肥料氮残留率;PF和FM处理均显著增加肥料氮利用率,但FM处理增加效果更显著。因此,旱作农田覆膜增产条件下,配施有机肥可以有效调控土壤养分并改变其有效性,在增加氮素吸收利用效率的同时维持土壤氮库、减少氮素损失,有利于旱作农田养分的高效利用和土壤肥力的可持续性。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S153.6;S154.3
【部分图文】：

用软件 Sigmaplot 12.0 绘图。2.3 结果与分析2.3.1 生物炭和秸秆对土壤碳氮矿化的影响随培养时间的推移各处理 CO2排放速率逐渐降低，第 1 天排放速率最高，CK、S、B1、B1S 和 B2S 处理 CO2排放速率分别为 193.68、874.70、182.09、842.09 和 734.05 mgC kg-1d-1（图 2-1）。与 CK 相比，B1 处理对 CO2排放速率无影响，S、B1S 和 B2S 处理显著增加 CO2排放速率，在培养前 7 天 S 处理显著高于 B1S 和 B2S 处理，之后 S、B1S 和 B2S 处理间无显著差异。与 CK 相比，B1 处理对 CO2累积排放量无显著影响，S、B1S 和 B2S 则显著增加累积排放量。培养前 10 天 B2S 处理累积排放量显著低于 S 处理，而 B1S 与 S 处理间无显著差异；培养结束时 B2S 处理累积排放量显著高于其它各处理。培养结束时，与 CK 相比，S、B1S 和 B2S 处理均显著增加碳矿化量，B1 无显著变化，各处理土壤碳累计矿化量顺序为 B2S > S > B1S > CK > B（表 2-1）。S 处理净碳矿化量显著高于其它处理，添加秸秆增加土壤净碳矿化量，生物炭则降低土壤净碳矿化量，但B1S 与 B2S 处理间无显著差异，B1 处理净碳矿化率为-0.18%。

0.99±9.10d - 39.56±0.72a 3.72±36.05b 20.49±1.75a 3.86±0.04d 4.40±25.88d -0.18±0.03c 34.75±0.65b 4.43±21.07c 16.76±0.92b 5.18±0.11c 0.49±39.92a 16.85±1.28b 4.86±0.11c 显著差异性（P< 0.05），表中数据为平均值±标准差（umn indicated significant difference at P< 0.05. Values生物炭和秸秆显著降低培养期间土壤矿质氮含 CK > B1 > B1S > B2S > S（表 2-1），S、B1 矿质氮含量变化趋势一致，在培养初期矿质氮、B1S 和B2S 矿质氮含量先迅速下降后逐渐下降氮含量仅为初始值的 10%左右。与 CK 相比，分别为-0.47%、-3.58%、-3.32%和-3.22%，B1 1S 和 B2S 处理间无显著差异。

第二章 有机碳源对土壤碳氮矿化效应及其去向研究 21有显著差异。生物炭和秸秆对水溶性有机碳的影响与有机碳不一致。与 CK 相比，第 1天 S 和 B1 处理显著降低水溶性有机碳，B2S 处理显著增加水溶性有机碳，而 B1S 无显著差异；第 14 天 S、B1S 和 B2S 处理均显著增加，而 B1 处理显著降低水溶性有机碳；第 35 天 S、B1、B1S 和 B2S 均显著增加水溶性有机碳，S 处理增加最为显著，而 B1S和 B2S 间无显著差异。土壤微生物量碳在培养第 1 天最大，随培养时间的推移土壤微生物量碳迅速降低并保持相对稳定（图 2-3 c）。与 CK 相比，处理 S、B1S 和 B2S 均显著增加土壤微生物量碳，B1 无显著影响。

本文编号：2833812