农田黑土生产力的有机质阈值研究

发布时间：2020-09-03 07:42

　　 SOM含量与作物生产力之间在一定条件下呈正相关,其对生产力的影响存在阈值。该阈值的定量化及其形成机制的探讨是基本农田保护和退化土壤修复的重要依据。本研究以SOM含量变幅较大的东北农田黑土(Mollisols)为研究对象。在东北黑土带上选取5个不同SOM含量农田黑土,利用空间移位的方法移至黑龙江省的海伦市,建立田间框栽试验小区。通过该试验研究将气候与SOM对作物生产力的影响加以区分,(1)定量化确定影响作物生产力的黑土SOM阈值;(2)探讨该阈值形成的土壤物理、化学和生物学机制;(3)探讨影响作物生产力的SOM有效组分与阈值的关系。田间试验设置为2因子(SOM和施肥)5水平3次重复田间小区试验,因子1:SOM梯度,A1、A2、A3、A4、A5分R%为23.54g·kg-1 58.69g·kg-1 71.23g·kg-1、81.46g·kg-1和103.57g·kg-1五种不同SOM含量的土壤。因子2:氮肥施肥梯度,B1、B2、B3、B4和B5分别代表N Okg·hm-2、N 10kg·hm-2、N 30kg·hm-2、N 70kg·hm-2、N 150kg·hm-2五种氮肥施肥水平。种植作物为小麦。每年播种前和收获后取土样分析SOM(SOM)和NPK养分含量,并测定作物产量。在整个生育期间有选择的测定土壤容重、含水量、温度、渗透速率、pH值、土壤团聚体、土壤颗粒有机碳、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、矿化速率、微生物碳氮及植物体内的碳氮含量等。通过3年的试验观测,获得以下研究结果:(1)不施肥和施肥条件下,小麦产量与SOM含量均呈单峰曲线关系,即存在影响作物生产力的SOM的阈值。不施肥条件下,即土壤生产力,SOM含量与小麦产量间存在阈值为72.40g·kg-1;当SOM低于此含量时,小麦产量随着SOM增加而增加;高于此含量时,小麦产量降低。在施用氮肥70kg·hm-2条件下,即农田生产力,SOM含量与小麦产量间也存在阈值,为76.04g·kg-1,具有与不施肥相同的变化趋势。阈值的SOM含量受到氮肥施用量的影响,随着氮肥施用量的增加,阈值先增加后降低。(2)土壤容重随着SOM含量增加先减小后增加,与小麦产量和SOM含量的变化趋势相反,5中SOM水平中,A4水平土壤容重最小,为0.87g·cm-3,SOM含量最高的A5水平土壤容重高于A4,高出5.75%,但差异不显著。土壤含水量是随着SOM含量的增加而增加,苗期和孕穗期的土壤含水量最高的均为A5水平,苗期比A4水平高0.12个百分点,比A1水平高7.53个百分点;孕穗期比A4水平高1.26个百分点,比A1水平高12.77个百分点。乳熟期、腊熟期和成熟期,土壤含水量最高的为A4水平,最低为A1,乳熟期各个水平间土壤含水量差异不显著,而其他各时期高SOM水平土壤含水量与低SOM水平间差异显著,高SOM水平间土壤含水量差异不显著。土壤田间持水量随着SOM含量的增大而增大,最高的为A5水平,比A4水平高1.8百分点,两者差异不显著,饱和含水量与SOMM呈单峰曲线,最高为A4水平,比A5水平高出6.40个百分点,各水平间差异显著。随着SOM含量的增加,土壤含水量也随之增加,因此土壤温度也呈下降趋势,但不同时期表现略不同,5、6月份耕层温度A1水平最高,A5水平最低,5月份温度相差1.05℃。6月份温度相差0.73℃;7、8月份最高温度为A3水平,最低温度为A4(7月)和A5(8月),7月份温度相差为0.56℃。8月份温度相差0.66℃。氮肥施用量也对土壤温度产生影响,低肥力水平(B1)和高肥力水平(B4)低于中等肥力水平(B2和B3)。水稳性大团聚体(250μm)与SOM含量呈单峰曲线关系,A3水平最高,A5水平比A3水平低7.67%,比A4水平低6.65%,A3与A5差异显著。(3)土壤化学性状分析发现,空间移位后,5种土壤的全碳(TC)含量均发生变化,A1水平TC略有升高,A2水平TC基本持平,而A3、A4、A5水平TC降低;生长期内各个SOM水平土壤TN含量收获后高于播种前,年际间变化表现为先降低(2011-2012年),后逐渐升高(2012-2013年);TP在2011年和2012年表现出年内降低,在2013年基本持平,三年中TP含量在各个SOM水平上及现为下降的趋势;TK含量在2011年和2012年是收获后的高于播种前的,而到了 2013年则是收获后的含量低于播种前的含量;土壤速效养分在各个生育时期表现不同,播种前和收获期的含量高于其他时期;在速效养分中,土壤有效氮(AN)与SOM含量呈单峰曲线关系,在A4水平最高,几乎在所有测试中A4水平均高于A5水平,高出0.21-3.49%,但差异不显著。施用氮肥可以提高AN含量;AP含量也与SOM呈单峰曲线关系,A1水平和A5水平的AP含量较低,而位于中间的SOM含量A2、A3和A4的相对较高,适量的氮肥可以增加AP的含量,而过高的氮肥降低AP的含量;AK与SOM之间没有相关性,但是A4水平在各个时期的AK含量最高,比A5水平高出36.45-66.8%,并随着氮肥施用水平的提高而降低。阳离子交换量(CEC)随着SOM含量的增加而增加,与SOM呈极显著相关(r=0.964**);土壤pH与SOM之间没有相关性,氮肥施用量阈土壤之间呈负相关关系,氮肥施用量过大,会造成土壤酸化。NH4+-N含量随着SOM增加有降低的趋势;NO3--N随着SOM的增加,有先增加后降低的趋势,并且在苗期和收获期,A4水平的N03--N含量最高。随着氮肥施入水平的提高,NH4+-N和NO3--N有增加的趋势。土壤颗粒有机质(POM)中,2000μm-250μm粒级和250μm-53μm粒级在A4水平的含量最多,分别占8.65%和30.72%,与SOM呈单峰曲线关系。但这两个粒级中的OM和N含量均为A5最高,OM含量分别是126.51g·kg-1和141.06g·kg-1 N含量分别为0.57%和0.65%,并于SOM含量呈显著相关。(4)土壤生物学分析发现,微生物量C、N随着SOM含量的增加而增加,最高的为A5水平,最低的A1水平,相差232.56%和62.18%,微生物量N则随着氮肥施用量的增加而增加。小麦籽实的C、N含量受SOM含量影响较小,C含量与SOM呈弱相关(r=0.121),N含量与SOM含量中度相关(r=0.770);氮肥水平可以显著提高小麦籽粒中的C、N含量,C含量与氮肥施用量呈显著正相关(r=0.941*),而N含量与氮肥施用水平极显著正相关(r=0.9870**)。茎秆中C含量与SOM中度相关(r=0.774),呈单峰曲线关系,最高值为A4水平,并随着氮肥水平的增加而增加,与氮肥水平呈显著相关(r=0.910*),最高值为B5水平;茎秆的N含量随着SOM和氮肥水平的增加而增加,最高值为A5水平和B5水平,与SOM高度相关(r=0.854),与氮肥水平极显著相关(r=0.969**)。本研究定量化揭示了小麦产量的SOM阈值,确定了与SOM阈值形成的相关指标有,饱和含水量、耕层土壤含水量及温度;土壤容重、土壤团聚体;A4水平的土壤中AN、AP、AK、NO3--N、POM含量相对较高,初步明确了影响SOM含量阈值形成的一些因素。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S153.6

【参考文献】