华北平原不同有机物料投入对农田碳氮协同转化及环境效应研究

发布时间：2020-04-05 14:12

【摘要】：我国是农业大国,畜禽粪便、秸秆等农业废弃物资源丰富,畜禽粪便与秸秆还田是消纳农业废弃物资源、提升土壤肥力、提高作物产量的有效措施。华北平原是我国主要旱地粮食小麦-玉米的粮食作物的生产区之一,研究畜禽粪便、秸秆还田对该地区作物产量、土壤肥力以及氮素流失风险具有重要意义。针对华北平原不同有机物料投入对农田碳氮协同转化特征及环境效应等关键问题,本文依托农业农村部昌平潮褐土生态环境重点野外科学观测试验站27年(1990-2016年)长期定位试验,试验小区面积200 m~2(10 m×20 m),采用田间试验化学分析、实时定量qPCR等技术定量研究不施氮肥(PK)、单施化肥(NPK)、施用猪粪(NPKM、NPKM+)、秸秆还田(NPKS)等不同处理对小麦-玉米产量、土壤碳氮含量及氮循环相关微生物基因丰度等的影响。论文取得的主要结果如下:1.长期施用粪肥和秸秆还田均可显著提高作物产量。27年长期定位试验表明,在单施化肥基础上,施用粪肥、秸秆还田可增加小麦产量为31%-37%、19%,增加玉米产量为35%、21%。2.长期施用粪肥和秸秆还田均可显著提高土壤碳库。补充0.31 t ha~(-1)年~(-1)外源碳(NPK),土壤有机碳库基本保持稳定,维持在19.1-23.9 t C ha~(-1);补充1.24 t ha~(-1)年~(-1)外源碳(NPKS),土壤碳库在15年后达到稳定,饱和前的增长速率为1.8%,之后基本稳定在20.5-26.1 t C ha~(-1);补充5.10-8.25t ha~(-1)年~(-1)外源碳(NPKM、NPKM+),前10年土壤碳库的增加速率为2.8-2.9%,10-27年期间土壤增加速率提高到4.7%-7.4%。3.长期施用粪肥和秸秆还田显著提高土壤氮库。补充338 kg ha~(-1)年~(-1)外源氮(NPK),土壤氮库基本保持稳定,维持在1.8-2.0 t N ha~(-1);补充372.1 kg ha~(-1)年~(-1)外源氮(NPKS),土壤氮库15年达到稳定,稳定前的增长速率为0.04%,之后基本稳定在2.1-2.3 t N ha~(-1);补充586.3-707.5 kg ha~(-1)年~(-1)外源氮(NPKM、NPKM+),前15年土壤氮库的增加速率为2.3%,15-27年期间土壤增加速率提高到4.1%-4.9%。4.长期增施粪肥会增加土壤氮素淋失风险,秸秆还田有助于增强土壤氮素固持能力。粪肥处理中全氮输入量是化肥处理的1.7-2.1倍,其0-200 cm剖面硝态氮含量是NPK(67.6 kg N ha~(-1))的7.6-8.4倍,表观平衡氮盈余是NPK处理的1.4-2.5倍,表明增施粪肥会增加土壤氮素淋失风险,这与粪肥本身带入的大量氮有关。氮循环相关功能基因丰度与长期不同施肥处理的相关性分析表明,与NPK相比,长期增施粪肥会显著增加氨氧化细菌丰度,增加土壤硝化速率(r=0.66,P0.05),表明增施粪肥中土壤氮素淋溶风险的增加主要归因于氨氧化细菌活性和土壤硝化速率的增加。NPKS处理中0-200 cm剖面硝态氮含量虽比NPK处理略有增加,但土壤氮盈余显著降低(39%),尤其是深层土壤中(120-200 cm)较高的负氮矿化速率(3.4-15倍),表明秸秆还田有助于增强土壤氮素固持能力。总之,在单施化肥基础上增施粪肥或秸秆还田可提高华北平原小麦-玉米轮作的作物产量和增加土壤碳氮含量,但增施粪肥施肥水平偏高,硝态氮累积问题突出,严重威胁地下水安全。
【图文】：

图 1- 1 农田生态系统氮来源及氮去向Fig. 1-1 Source and destintion of nitrogen in agroecosystem另一种良好的、利于农业可持续发展的外源氮输入途径。秸秆还田作物的产量和氮吸收(Zhang et al., 2015b)。近年来，小麦、玉米等集中在作物氮素需求与土壤氮素供应在生长季节的同步性上(Cui n 等(2019)发现，在秸秆还田的早期生长阶段，土壤无机氮和小麦氮比的秸秆掺入促进了微生物生长和微生物固氮(Thuy et al., 200在秸秆还田中掺入一定比例的基肥氮，以弥补生长初期微生物固氮

2016a)。木质素含量低的不稳定有机物施用后的微生物量碳和 Shannon 多样性指质素含量高的难改性有机物料改性后的微生物量碳和 Shannon 多样性指数(Bending层土壤相比，表层土壤中的微生物量浓度增加，表明表层土壤具有较高的基质利用性。表层土壤中有机碳和活性碳的浓度增加可能是因为较高的碳输入和根结anqui and Lal, 2008)。微生物学过程在土壤中的转化如图 1-2 所示。氮素在土壤中转化的主要途径为：(1)氮素矿化：是氮素循环过程中最基础的一步，复杂的有机氮化合物在微生物作用下转变成矿质氮 et al., 2014)。(2)氮的固定：包括生物固定和非生物固定，生物固定主要是无机氮被变为微生物体中有机氮的过程，而非生物固定则是铵离子被黏土矿物晶格的固定硝化：硝化作用是 NH4+发生氧化作用生成 NO3-，，反硝化作用是 NO3-在厌氧条件下等氮氧化物，这两过程中产生的硝态氮和氮氧化物可能会增加氮素损失，但也可被少氮素损失。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S158;X71

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 夏国芳;严红;魏n\;潘凤荣;刘红霞;;有机物料施用量对黑土有机碳积累的影响[J];辽宁农业科学;2010年05期

2 姜岩,赵兰坡;施用有机物料对土壤酶活性的影响——Ⅱ.有机物料的不同分解时期土壤酶活性的变化特征[J];吉林农业大学学报;1988年01期

3 丁瑞兴,刘德辉;有机物料在白土中的分解与转化[J];南京农业大学学报;1988年02期

4 窦森,姜岩;土壤施用有机物料后重组有机质变化规律的探讨——Ⅱ.对重组有机质中腐殖质组成和胡敏酸光学性质的影响[J];土壤学报;1988年03期

5 窦森;;酒糟等有机物料对黑钙土的培肥效果[J];沈阳农业大学学报;1988年04期

6 曾广骥;付尚志;金平;;有机物料对提高土壤肥力的效应分析[J];黑龙江农业科学;1988年03期

7 张素菲;龚光炎;;增加有机物料对改土培肥的效应[J];河南农业科学;1988年06期

8 沈汉;;不同有机物料对土壤某些物理性质的影响[J];北京农业科学;1988年06期

9 陈小萱,陈新之,颜丽;有机物料及氮磷化肥对不同肥力土壤氮素矿化影响的研究[J];土壤通报;1989年03期

10 石元亮,王晶,姜淑华;有机物料改良苏打盐渍土机制的研究——对土壤化学组成及盐碱特性的影响[J];土壤通报;1989年04期

相关会议论文 前10条

1 李建明;吴景贵;;不同有机物料对土壤和环境影响差异性的研究进展[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集（第八卷）[C];2013年

2 迟凤琴;;影响黑土中有机物料分解因素的研究[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集（面向农业与环境的土壤科学专题篇）[C];2004年

3 赵影星;陈源泉;王琳;代红翠;崔吉晓;隋鹏;;有机物料还田对砂质农田土壤理化性状和作物产量的影响[A];中国农学会耕作制度分会2018年度学术年会论文摘要集[C];2018年

4 苏立涛;毛志泉;;有机物料对连作土中平邑甜茶根系活性氧含量和抗病相关酶活性的影响[A];庆祝中国园艺学会创建80周年暨第11次全国会员代表大会论文摘要集[C];2009年

5 张池;Velasquez, E.;Pando, A.;Brunet,D.;戴军;Lavelle.P.;;不同有机物料作用下Aporrectodea caliginosa蚓粪的近红外光谱(NIRS)特征[A];第四次全国土壤生物和生物化学学术研讨会论文集[C];2007年

6 吴景贵;席时权;曾广赋;姜岩;王明辉;;土壤水浸液浓缩过程中物质转化的傅里叶变换红外光谱研究[A];全国第10届分子光谱学术报告会论文集[C];1998年

7 徐峥;吴秉奇;王振亚;杜秉海;丁延芹;姚良同;;添加有机物料腐熟剂对土壤有机养分分解的影响[A];第十一届全国土壤微生物学术讨论会暨第六次全国土壤生物与生物化学学术研讨会第四届全国微生物肥料生产技术研讨会论文（摘要）集[C];2010年

8 江志阳;何随成;左伟;;有机物料腐熟剂的研究与应用[A];2010中国腐植酸行业低碳经济交流大会暨第九届全国绿色环保肥料（农药）新技术、新产品交流会论文集[C];2010年

9 魏世强;木志坚;青长乐;;几种有机物料对紫色土镉的溶出效应与吸附解吸行为影响的研究[A];土壤化学与生态环境建设和农业可持续发展学术讨论会会议指南与论文摘要集[C];2001年

10 高祥;周毅;张从军;陈世勇;汪建飞;李孝良;;有机物料与化肥配施对砂姜黑土土壤肥力及玉米产量的影响[A];面向未来的土壤科学（中册）——中国土壤学会第十二次全国会员代表大会暨第九届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集[C];2012年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 董新英 闫紫谦 薛立伟;黑土为“基” 让“龙江绿”大地飘香[N];黑龙江日报;2017年

2 龙技;夏季高温土壤巧消毒[N];湖南科技报;2017年

3 本报记者 王雅萍;有机肥：古老而又年轻的产业(中)[N];河南科技报;2009年

4 记者 赵引德;有机物料快速腐熟技术研制成功[N];农资导报;2007年

5 ;有机物料腐熟剂的存放和添加[N];中华合作时报;2003年

6 华文;云南有机物料腐熟剂实现产业化　[N];中国花卉报;2004年

7 中国科技开发院云南分院 叶光yN 刘昌荣;福贝有机物料腐熟剂的应用[N];云南科技报;2004年

8 ;有机物料腐熟剂的种类和特点[N];中华合作时报;2003年

9 屈明光 李玮;我国科学家研制成有机物料腐熟剂[N];农资导报;2004年

10 陈维芳;广西开发出“三效合一”肥料新品[N];农资导报;2007年

相关博士学位论文 前10条

1 刘亥扬;有机物料对稻田土壤硝化活性及N_2O排放的影响[D];浙江大学;2019年

2 盖霞普;华北平原不同有机物料投入对农田碳氮协同转化及环境效应研究[D];中国农业科学院;2019年

3 蔡泽江;有机物料调控红壤化学氮肥致酸效应的差异与机制[D];中国农业科学院;2019年

4 胡娟;半干旱覆膜滴灌土壤有机物料腐解特征及对有机碳影响[D];吉林农业大学;2018年

5 李玲;典型农田土壤中有机物料分解特性及影响因素[D];中国农业科学院;2018年

6 李建明;不同有机物料对黑土复合体性质影响的差异性及其机理研究[D];吉林农业大学;2015年

7 吴迪;有机物料施用下接种蚯蚓对菜地土壤、作物及环境的影响[D];南京农业大学;2015年

8 李艳;微生物利用糖类和蓝藻等有机物料参与形成腐殖质的研究[D];吉林农业大学;2016年

9 李叶青;复合有机物料厌氧消化特性及产气优化工艺与机理研究[D];北京化工大学;2014年

10 曹健;有机资源与化肥配施农业模式的农学和环境效应评价[D];中国农业大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 杨利华;有机物料施用和免耕对红壤线虫群落、酶活性和作物产量的影响[D];南京农业大学;2017年

2 杨博雯;施用有机物料及菌剂（G1）对番茄生长及土壤养分的影响[D];山西农业大学;2017年

3 樊昊;施用不同有机物料对吉林省东部“坡改梯”农田土壤肥力的影响[D];吉林大学;2018年

4 柳媛媛;有机物料投入对旱地土壤碳氮的后效作用及其模拟[D];西北农林科技大学;2018年

5 庞飞;有机物料和氮肥对宁夏沙地枸杞根际土壤碳氮及微生物群落的影响[D];宁夏大学;2018年

6 罗定祥;有机物料对土壤硒形态及小麦硒吸收的影响[D];石河子大学;2018年

7 陈旭;不同有机物料对污染土壤中重金属Cu、Zn形态及分布影响[D];吉林农业大学;2018年

8 王雨薇;有机物料对菜地土壤中Pb、Zn的生物有效性的影响[D];吉林农业大学;2018年

9 王明玉;有机物料改性处理对酸化黑土中Cu钝化效果及土壤性质影响研究[D];吉林农业大学;2018年

10 邵满娇;连续添加玉米秸秆及其腐解和炭化材料对黑土腐殖质的影响[D];吉林农业大学;2018年

本文编号：2615119