氮肥施用对玉米根茬分解及土壤碳累积的影响

发布时间：2016-10-23 08:17

第一章 文献综述

农田生态系统在陆地碳循环中具有重要.地位且受人为活动影响较大，通过合理科学的土地管理措施稳定和提高农.田土壤碳库贮量对.于保证全球粮食安全与缓解气候变化趋势具有双重的积极意义（Smith 2004）。有机残体还田是农田土壤有机物料.输入的主要途径，合理的氮肥施用.能够通过增加作物残体数量提高有.机物质的还田量（Smith et al.2012）。在石灰性土壤中，土壤有机质分解产生的 CO2是次碳酸.盐形成的重要碳源（Sanderman 2012）。农田作物不同栽培管理措施以及无机氮肥施用对土壤碳库贮量的研究主要集中在有机碳方面，对石灰性土壤中无机碳库的影响尚待深入研究。作物残体分解是土壤有机质的重要来源，为作物生长提供养分，同时会对土壤碳、氮循环产生影响（Silver and Miya 2001）。施用化肥在提高作物地上产量的同时也增加了地下根系残体的数量。关于植物地上秸秆残体分解特性已有大量研究，而长期化肥施用是否会对作物地下根系的养分组成产生影响，进而造成根茬分解的差异尚少见报道。因此，，研究肥料施用对根茬养分组成及其分解特性的影响，以及不同栽培和氮肥用量对土壤碳库贮量的影响，对于揭示根系分解在土壤碳循环过程中的作用，以及科学栽培、合理施用氮肥，促进农业可持续发展和增加土壤固碳等方面具有重要的理论及实践意义。

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第二章 选题依据和研究思路

2.1 选题依据

植物有机残体分解是陆地生态系统中重要的碳库流动过程，伴随着大量的植物碳损失和土壤碳累积与更新。有机残体分解一方面转运和调节大气与土壤碳素，同时能够为作物生长提供必需的矿质养分。有机物料的分解特性取决于植物残体自身的化学组成、土壤性质及分解过程的环境条件等因素。关于植物地上部秸秆残体的分解动态及其影响因素已有大量研究，而由于根系在土壤中分布较隐蔽，对作物残茬分解的研究相对较少。但是与地上秸秆相比，根系对土壤有机碳的贡献作用更大，且影响根茬分解的首要因素是其本身的养分组成（Silver and Miya 2001）。因此，长期不同施肥处理是否能够影响作物根系化学组成，进而影响根茬在土壤中的分解矿化过程值得关注和研究。因此，本研究主要以长期定位试验不同氮肥处理玉米根茬为对象，探讨了不同肥料配施对根茬养分组成的影响，以及不同施氮量处理的玉米根茬碳分解特性及其对土壤碳、氮的影响。

2.2 研究方法、内容和技术路线

本研究采用室内培养和田间试验相结合的方法，比较了长期不同施肥处理对玉米根茬养分组成的影响及其在土壤不同土层和水热环境下根茬碳分解的差异，并利用 δ13C自然丰度法研究了不同施氮量处理根茬对土壤有机碳的贡献，以及长期栽培和氮肥施用对土壤有机碳、无机碳贮量的影响。主要包括以下研究内容：（1）长期不同施肥处理对玉米根茬化学组成的影响采集 21 年不同肥料配施和 8 年不同氮肥用量处理的玉米根茬，研究长期不同施肥根茬碳、氮、磷、钾，可溶性碳、总氮和纤维素、木质素等化学组成的变化。（2）长期不同氮肥用量对玉米根茬有机碳矿化分解的影响通过室内培养、田间网袋埋藏验，研究了 3 种施氮量处理的玉米根茬在不同层次土壤中的 CO2释放特性和根茬碳残留率，以及根茬残体分解对土壤中活性碳、氮组分的影响。（3）不同环境下玉米根茬碳分解及土壤有机碳变化比较了在杨凌塿土、长武黑垆土中玉米根茬碳分解率的差异，利用 δ13C 自然丰度法，研究 3 种施氮量处理的根茬在不同水热条件下分解对土壤有机碳的贡献。（4）长期不同栽培措施和氮肥用量对塿土碳贮量的影响研究小麦—玉米轮作制度下，长期不同作物栽培措施和氮肥施用量对塿土 0-100 cm剖面有机碳、无机碳贮量和 δ13C 值的影响，以及土壤活性碳组分和 pH 值的变化情况。

第三章 长期施肥对玉米根茬生物量及化学组成的影响......15

3.1 前言....... 15
3.2 材料与方法..... 16
3.3 结果与分析........ 17
第四章 不同施氮处理玉米根茬矿化分解特性......23

4.1 前言..............24

4.2材料与方法....24

4.3 结果与分析......... 28
第五章 不同施氮处理玉米根茬在壤土中分解特性............35 
5.1 前言............... 35 
5.2 材料与方法................... 36 
5.3 结果与分析........ 38 
5.4 讨论.................... 43 

第八章 栽培措施和施氮对塿土碳贮量及 δ13C 值的影响

8.1 前言

土壤碳库占陆地生态系统碳库总量的 75%，包括有机碳和无机碳形式。土壤碳库较小的变化可能对全球碳平衡和大气 CO2减排产生较大影响（Lal 2004b）。土壤碳库每增加 1 Pg 相当于减少大气中 CO2浓度 0.47 ppm，反之增加大气 CO2浓度（Lal 2007）。全球范围来看，1 m 土层深度的土壤有机碳库贮量估算值约为 1200~1600 Pg，是生物碳库和大气碳库的 2 倍多（Eswaran et al. 1993; Sombroek et al. 1993; Batjes 1996）。无机碳库是干旱、半干旱地区的主要碳库形式，分布面积占全球陆地面积的 1/3，全球土壤无机碳库贮量在 1 m 深度的估算值波动较大（695~1738 Pg）（Batjes 1996; Zhang et al.2015）。土壤和作物管理措施，比如耕作、覆盖、施肥等能够显著影响作物地上和地下部的生物产量，进而影响其在土壤中的有机碳累积量（Gwenzi et al. 2008; Liang et al. 2012; Liet al. 2013）。作物秸秆残体覆盖对土壤质量提高已有大量研究，从农田生态系统中移除作物残体会减少有机质输入和累积量（Sainju et al. 2005; Lal 2007; Lemke et al. 2010）。另一方面，在雨养地区，塑料地膜覆盖广泛用于保持土壤水分和温度。然而有研究指出，地膜覆盖会影响土壤的水热条件，促进碳矿化，降低土壤有机碳含量（Liu et al. 2009）。氮肥施用对土壤有机碳库影响在国内外已进行大量研究。Alvarez（2005）指出施用氮肥能够增加土壤有机碳库量，前提是在作物有机残体还田的条件下。目前，关于氮肥施用对土壤有机碳固持的作用不同学者观点不同，包括正面影响（Regmi et al. 2002）、基本没有影响（Khan et al. 2007）和负面影响（Körner andArnone 1992）等。

8.2 材料与方法

2011 年 10 月玉米收获后，在西北农林科技大学农作一站不同栽培模式综合试验地的农田土壤，采集常规、秸秆覆盖、垄沟栽培模式下 3 种氮肥用量处理以及一个休闲小区的 0-100 cm 剖面土壤，每 20 cm 为一层，土壤类型为塿土，系统分类为土垫旱耕人为土。去除根茬、石块等杂物，一部分土样在 4℃保存用于测定土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量，其余样品风干后通过 0.15 mm 筛备用。研究区概况及试验开始前耕层土壤基本理化性质见 3.2.1（表 3-1），田间试验设计见 3.2.2。
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第九章 主要结论、创新点及进一步研究问题

（1）与长期不施肥（CK）、不平衡施肥（CK、N、NK、PK）以及不施氮肥（N0）处理相比，NP、NPK、M1NPK（M1 低量有机肥）、M2NPK（M2 高量有机肥）、SNPK（S 秸秆还田）以及施用氮肥 N120（120 kg N hm-2）、N240（240 kg N hm-2）处理的玉米根茬（0-20 cm）干重显著增加，同时根茬的碳、氮、磷、钾养分累积量也显著提高。SNPK 和氮肥施用分别显著提高了根茬可溶性有机碳、可溶性总氮含量。NP、M1NPK处理根茬纤维素、木质素含量最低，不施氮处理根茬的纤维素、木质素含量较高。CK、PK、N0 处理的根茬 C/N、木质素/N 显著大于其他施肥处理。可见施肥不仅显著影响作物根茬生物量，同时也影响其化学组成。（2）室内培养试验表明，施氮肥处理根茬 R120（120 kg N hm-2）和 R240（240 kg Nhm-2）的 CO2累积释放量显著高于长期不施氮根茬 R0，根茬 CO2累积释放量与 C/N 极显著负相关。与上层土壤混合培养的根茬 CO2累积释放量、碳矿化率及潜在碳矿化量均较高。根茬加入能显著提高土壤中微生物量碳和可溶性有机碳的含量，且随着根茬分解（10 d）土壤可溶性有机碳含量快速降低；添加施氮处理根茬（R120和 R240）显著提高了培养起始时的土壤矿质态氮含量，之后由于微生物固持氮素而迅速下降。说明作物根茬还田能够显著影响土壤中活性碳、氮组分的含量，而不同氮肥用量处理的根茬碳矿化特性存在差异。

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参考文献（略）

本文编号：150050