作物—牧草轮作系统中草地土壤碳蓄积动态及其微生物群落结构与功能变化机制
发布时间：2021-07-10 23:54
全球变化影响人类经济社会和生态可持续发展,土壤是地球上最大的陆地碳汇,增加碳在土壤中的固存量有助于减缓气候变化。土地利用和管理变化是影响土壤碳蓄积或释放的重要因素,作物和牧草轮作是全球温带地区可持续农业主要的土地利用策略。作物-牧草轮作系统中,草地阶段可有效缓解由于前期耕作造成的土壤质量下降,改善土壤物理化学和生物学性状,提高土壤碳蓄积。深入解析草地轮作阶段土壤碳库变化动态及其机制,是全面理解和调控可持续农业生产应对全球变化的关键。以美国中东部地区有机农牧场3年低投入蔬菜生产后的5年放牧草地轮作土壤为研究对象,分析15年轮作草地土壤不同组分有机碳、氮含量、碳矿化、微生物群落结构与功能、基本理化性状变化及其季节动态,探究土壤碳固存的主要影响因素及微生物作用机制。取得了以下主要研究结果:1、颗粒有机质敏感指示土壤有机质变化动态,随着草地生长年限的增加,土壤有机质逐渐积累,且主要由颗粒有机质占比的提高引起;轮作草地土壤各组分有机碳逐渐增加,轮作5年土壤有机碳（SOC）含量增加了20.6%,且接近永久性草地,颗粒有机碳（POC）和非颗粒有机碳（n-POC）含量分别增加了5...
【文章来源】：甘肃农业大学甘肃省
【文章页数】：99 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同轮作年限草地和永久性草地土壤质地分类Fig.1Soiltextureclassesoffiveyearsrotationandpermanentpasture(分类方法引自Citedfrom:Soilsurveymanual,USDAHandbookNo.18,2017)
甘肃农业大学2019届博士学位论文27占土壤总量的2.7%。但草地生长年限对n-POM含量的占比仍有显著影响（P＝0.0231），季节对n-POM含量有极显著影响（P＜0.0001），且存在显著的草地年限×季节交互作用（P＝0.0095）。春季草地n-POM平均占比为3.1%，显著高于夏、秋、冬季；秋季草地土壤n-POM含量占比亦显著高于夏季。3.2.2不同年限草地SOC储量变化轮作草地生长年限对土壤有机碳（SOC）含量变化具有极显著影响（图3a）。随着草地生长年限的增加，SOC含量逐渐增加，从建植第1年的17.31g·kg-1增加到第5的20.88g·kg-1，增加了20.6%。草地SOC含量第5年显著高于第1年和第3年，与永久性草地（24.40g·kg-1）无显著差异。但生长2年的草地SOC含量显著高于生长1、3、4和5年的草地，且与永久性草地无显著差异。在5年草地轮作过程中，表层（15cm）土壤有机碳含量平均增加1.36t·ha-1·yr-1。草地轮作过程中，SOC含量除第2年显著升高外，其他年份以季节（t）为单位随轮作时间的推移可用三次多项式进行拟合（图3b）。从整体变化趋势来看，随草地轮作年限的延长，SOC含量逐渐增加，且趋近于永久性草地SOC含量。草地年限PastureyearY1Y2Y3Y4Y5P土壤有机碳含量SOC/g·kg-1soil0102030P<0.0001DADCDBCAB(a)图3轮作草地和永久性草地土壤有机碳含量变化Fig.3ChangeofSOCduring5pasturerotationalyearsandpermanentpasture（a）不同年限轮作草地和永久性草地土壤有机碳含量，（b）轮作草地土壤有机碳含量变化趋势拟合。(a)SOCindifferentrotationalyearsandpermanentpasture;(b)changetrendofSOCduringpasturerotation.草地SOC含量在春、夏、秋、冬4个季节间无显著差异（P＝0.6027），春季草地SOC含量（21.48g·kg-1）略高于其他季节（2
甘肃农业大学2019届博士学位论文35比（n-POC/n-PON，P＝0.0003），变化趋势与TOC/TON相似，但整体低于TOC/TON，研究区草地土壤n-POC/n-PON平均8.52。草地轮作年限亦显著影响颗粒有机质碳氮比（POC/PON，P＜0.0001），但POC/PON变化趋势与TOC/TON和n-POC/n-PON相反，呈先降低后升高再降低的变化趋势，Y2最低为12.08，Y4最高为13.34，平均12.69，且整体高于TOC/TON和n-POC/n-PON，是其1.5倍。轮作草地第5年不同组分土壤碳氮比，均与永久性草地土壤C/N无显著差异。图8不同轮作年限草地和永久性草地土壤碳氮比Fig.8SoilC/NratiointhedifferentpasturerotationyearsandpermanentpastureTOC/TON：总碳氮比，POC/PON：颗粒有机质碳氮比，n-POC/n-PON：非颗粒有机质碳氮比。TOC/TON:ratiooftotalorganiccarbontototalnitrogen,POC/PON:ratioofparticulateorganicmattercarbontonitrogen;n-POC/n-PON:ratioofnon-particulateorganicmattercarbontonitrogen.季节显著影响研究区草地土壤不同组分碳氮比动态（表7），TOC/TON夏季高于春、秋、冬3个季节平均值（8.65），POC/PON亦夏季高于其他季节（平均12.53）。春季n-POC/n-PON比夏、秋、冬季（平均8.35）高8%，且夏季高于冬季。同时，草地轮作年限和季节对n-POC/n-PON变化的交互效应显著（P＝0.0013）。n-POC/n-PON在春季Y3草地土壤中最高（9.22），Y4次之（9.18），冬季Y4最低（8.04）。表7不同季节轮作草地和永久性草地土壤碳氮比Table7SoilC/Nratioindifferentseasons季节Season总碳氮比TOC/TON颗粒有机质碳氮比POC/PON非颗粒有机质碳氮比n-POC/n-PON春季Spring8.64±0.04(b)12.49±0.13(b)9.02±0.04(a)
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工草地建设对甘南草原土壤理化特性和微生物数量特征的影响[J]. 姚宝辉,王缠,郭怀亮,张倩,杨晶,康宇坤,苏军虎. 水土保持学报. 2019(01)
[2]磷脂脂肪酸（PLFA）法检测内蒙古沙化梁地不同坡位羊柴（Hedysarum laeve Maxim）根围土壤微生物群落结构[J]. 蔚杰,成斌,贺学礼,赵丽莉. 河北农业大学学报. 2019(01)
[3]轮作与连作对烟田土壤微生物区系及多样性的影响[J]. 张笑宇,段宏群,王闷灵,李红丽,芦阿虔,王岩. 中国土壤与肥料. 2018(06)
[4]黄土高原草地次生演替过程中微生物群落对植物群落的响应[J]. 白丽,范席德,王洁莹,赵发珠,薛科社. 生态环境学报. 2018(10)
[5]青藏高原人工草地土壤微物量碳及酶活性动态变化特征[J]. 王榛,马晓林,刘攀,吕燕花,李香芬,周华坤,魏胜强,王文颖. 兰州大学学报(自然科学版). 2018(04)
[6]鄂尔多斯高原灌草群落土壤理化性质变化[J]. 张瑞红,蔡文涛,来利明,姜联合,王永吉,郑元润. 草业科学. 2018(06)
[7]半干旱区土地利用方式对土壤碳氮矿化的影响[J]. 杜宁宁,邱莉萍,张兴昌,程积民. 干旱地区农业研究. 2017(05)
[8]黄土区不同退耕年限草地土壤分离速率及其理化性质[J]. 李静,周正朝,张强,张晓艳. 干旱区研究. 2017(03)
[9]30 a耕作对高寒草地土壤碳氮与颗粒组成的影响[J]. 袁杰,鄂崇毅,曹广超,曹生奎,袁有靖,杨龙,赵亚娟. 干旱区研究. 2017(03)
[10]Effects of Tillage Practices and Land Use Management on Soil Aggregates and Soil Organic Carbon in the North Appalachian Region,USA[J]. Arun Jyoti NATH,Rattan LAL. Pedosphere. 2017(01)
博士论文
[1]轮作缓解甜瓜连作障碍的机理研究[D]. 王素娜.沈阳农业大学 2017
[2]水稻土演变过程中微生物组成与结构特征变化的研究[D]. 刘琛.浙江大学 2016
[3]不同耕作方式下土壤微生物在黑土有机碳固定中的作用研究[D]. 孙冰洁.中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所) 2016
硕士论文
[1]不同种植年限人工苜蓿草地土壤氮储量及氧化亚氮排放通量研究[D]. 杨菁.宁夏大学 2014
本文编号：3276902
【文章来源】：甘肃农业大学甘肃省
【文章页数】：99 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同轮作年限草地和永久性草地土壤质地分类Fig.1Soiltextureclassesoffiveyearsrotationandpermanentpasture(分类方法引自Citedfrom:Soilsurveymanual,USDAHandbookNo.18,2017)
甘肃农业大学2019届博士学位论文27占土壤总量的2.7%。但草地生长年限对n-POM含量的占比仍有显著影响（P＝0.0231），季节对n-POM含量有极显著影响（P＜0.0001），且存在显著的草地年限×季节交互作用（P＝0.0095）。春季草地n-POM平均占比为3.1%，显著高于夏、秋、冬季；秋季草地土壤n-POM含量占比亦显著高于夏季。3.2.2不同年限草地SOC储量变化轮作草地生长年限对土壤有机碳（SOC）含量变化具有极显著影响（图3a）。随着草地生长年限的增加，SOC含量逐渐增加，从建植第1年的17.31g·kg-1增加到第5的20.88g·kg-1，增加了20.6%。草地SOC含量第5年显著高于第1年和第3年，与永久性草地（24.40g·kg-1）无显著差异。但生长2年的草地SOC含量显著高于生长1、3、4和5年的草地，且与永久性草地无显著差异。在5年草地轮作过程中，表层（15cm）土壤有机碳含量平均增加1.36t·ha-1·yr-1。草地轮作过程中，SOC含量除第2年显著升高外，其他年份以季节（t）为单位随轮作时间的推移可用三次多项式进行拟合（图3b）。从整体变化趋势来看，随草地轮作年限的延长，SOC含量逐渐增加，且趋近于永久性草地SOC含量。草地年限PastureyearY1Y2Y3Y4Y5P土壤有机碳含量SOC/g·kg-1soil0102030P<0.0001DADCDBCAB(a)图3轮作草地和永久性草地土壤有机碳含量变化Fig.3ChangeofSOCduring5pasturerotationalyearsandpermanentpasture（a）不同年限轮作草地和永久性草地土壤有机碳含量，（b）轮作草地土壤有机碳含量变化趋势拟合。(a)SOCindifferentrotationalyearsandpermanentpasture;(b)changetrendofSOCduringpasturerotation.草地SOC含量在春、夏、秋、冬4个季节间无显著差异（P＝0.6027），春季草地SOC含量（21.48g·kg-1）略高于其他季节（2
甘肃农业大学2019届博士学位论文35比（n-POC/n-PON，P＝0.0003），变化趋势与TOC/TON相似，但整体低于TOC/TON，研究区草地土壤n-POC/n-PON平均8.52。草地轮作年限亦显著影响颗粒有机质碳氮比（POC/PON，P＜0.0001），但POC/PON变化趋势与TOC/TON和n-POC/n-PON相反，呈先降低后升高再降低的变化趋势，Y2最低为12.08，Y4最高为13.34，平均12.69，且整体高于TOC/TON和n-POC/n-PON，是其1.5倍。轮作草地第5年不同组分土壤碳氮比，均与永久性草地土壤C/N无显著差异。图8不同轮作年限草地和永久性草地土壤碳氮比Fig.8SoilC/NratiointhedifferentpasturerotationyearsandpermanentpastureTOC/TON：总碳氮比，POC/PON：颗粒有机质碳氮比，n-POC/n-PON：非颗粒有机质碳氮比。TOC/TON:ratiooftotalorganiccarbontototalnitrogen,POC/PON:ratioofparticulateorganicmattercarbontonitrogen;n-POC/n-PON:ratioofnon-particulateorganicmattercarbontonitrogen.季节显著影响研究区草地土壤不同组分碳氮比动态（表7），TOC/TON夏季高于春、秋、冬3个季节平均值（8.65），POC/PON亦夏季高于其他季节（平均12.53）。春季n-POC/n-PON比夏、秋、冬季（平均8.35）高8%，且夏季高于冬季。同时，草地轮作年限和季节对n-POC/n-PON变化的交互效应显著（P＝0.0013）。n-POC/n-PON在春季Y3草地土壤中最高（9.22），Y4次之（9.18），冬季Y4最低（8.04）。表7不同季节轮作草地和永久性草地土壤碳氮比Table7SoilC/Nratioindifferentseasons季节Season总碳氮比TOC/TON颗粒有机质碳氮比POC/PON非颗粒有机质碳氮比n-POC/n-PON春季Spring8.64±0.04(b)12.49±0.13(b)9.02±0.04(a)
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工草地建设对甘南草原土壤理化特性和微生物数量特征的影响[J]. 姚宝辉,王缠,郭怀亮,张倩,杨晶,康宇坤,苏军虎. 水土保持学报. 2019(01)
[2]磷脂脂肪酸（PLFA）法检测内蒙古沙化梁地不同坡位羊柴（Hedysarum laeve Maxim）根围土壤微生物群落结构[J]. 蔚杰,成斌,贺学礼,赵丽莉. 河北农业大学学报. 2019(01)
[3]轮作与连作对烟田土壤微生物区系及多样性的影响[J]. 张笑宇,段宏群,王闷灵,李红丽,芦阿虔,王岩. 中国土壤与肥料. 2018(06)
[4]黄土高原草地次生演替过程中微生物群落对植物群落的响应[J]. 白丽,范席德,王洁莹,赵发珠,薛科社. 生态环境学报. 2018(10)
[5]青藏高原人工草地土壤微物量碳及酶活性动态变化特征[J]. 王榛,马晓林,刘攀,吕燕花,李香芬,周华坤,魏胜强,王文颖. 兰州大学学报(自然科学版). 2018(04)
[6]鄂尔多斯高原灌草群落土壤理化性质变化[J]. 张瑞红,蔡文涛,来利明,姜联合,王永吉,郑元润. 草业科学. 2018(06)
[7]半干旱区土地利用方式对土壤碳氮矿化的影响[J]. 杜宁宁,邱莉萍,张兴昌,程积民. 干旱地区农业研究. 2017(05)
[8]黄土区不同退耕年限草地土壤分离速率及其理化性质[J]. 李静,周正朝,张强,张晓艳. 干旱区研究. 2017(03)
[9]30 a耕作对高寒草地土壤碳氮与颗粒组成的影响[J]. 袁杰,鄂崇毅,曹广超,曹生奎,袁有靖,杨龙,赵亚娟. 干旱区研究. 2017(03)
[10]Effects of Tillage Practices and Land Use Management on Soil Aggregates and Soil Organic Carbon in the North Appalachian Region,USA[J]. Arun Jyoti NATH,Rattan LAL. Pedosphere. 2017(01)
博士论文
[1]轮作缓解甜瓜连作障碍的机理研究[D]. 王素娜.沈阳农业大学 2017
[2]水稻土演变过程中微生物组成与结构特征变化的研究[D]. 刘琛.浙江大学 2016
[3]不同耕作方式下土壤微生物在黑土有机碳固定中的作用研究[D]. 孙冰洁.中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所) 2016
硕士论文
[1]不同种植年限人工苜蓿草地土壤氮储量及氧化亚氮排放通量研究[D]. 杨菁.宁夏大学 2014
本文编号：3276902
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