旱作春玉米农田土壤碳氮库对覆盖及有机物料配施的响应

论文编号lybs0000214216

论文标题旱作春玉米农田土壤碳氮库对覆盖及有机物料配施的响应

论文作者 张方方

指导导师 李世清 岳善超

授予时间2022

授予年份2022

学位级别博士

学科专业 植物营养学

主题词 地表覆盖 有机物料配施 有机碳库 全氮库 团聚体稳定性 团聚体碳氮含量 碳氮饱和亏缺

授予单位西北农林科技大学

摘要  黄土高原是我国重要的旱作雨养农业区,春季作物生长初期(每年四五月份)的低温和干旱是限制该地区春玉米产量和水分利用效率的主要因素。地表覆盖是该地区提高作物产量和水分利用效率的有效方法。然而,水热条件的改善也增加了有机碳矿化的风险,可能导致土壤有机碳的消耗,而地膜覆盖配合有机物料投入是提高土壤肥力的有效方法。为探究长期(大于10年)覆盖及有机物料配施对土壤碳氮及其组分的变化特征和对团聚体碳氮分布的影响,本研究以黄土高原旱作春玉米栽培体系为研究对象,基于长达12年的长期覆盖措施和有机肥施用田间定位试验(CK:不覆盖;GM:砂石覆盖;FM:地膜覆盖;FCM:地膜覆盖化肥配施有机肥,简称地膜覆盖配施有机肥)和定位7年的秸秆还田试验(CU:地膜覆盖掺混一次施肥,简称地膜覆盖掺混施肥;CS:地膜覆盖掺混一次施肥配合秸秆还田,简称地膜覆盖配合秸秆还田),系统分析了不同覆盖及有机物料配施措施对春玉米产量、地上部干物质和氮累积量、土壤水分利用效率、土壤碳氮及其组分的变化规律以及团聚体碳氮分布等的影响,以期为干旱和半干旱地区筛选长期维持高产和提高土壤肥力的农业绿色可持续发展技术模式提供理论依据。主要研究结果如下:(1)砂石覆盖和地膜覆盖12年后,与CK处理相比,FM处理导致0-20 cm和20-40 cm土层有机碳分别平均显著降低8.19%和5.05%,GM处理导致的表层土壤有机碳平均显著降低3.43%。从碳组分上看,FM处理表层土壤碳含量的下降来源于水溶性有机碳、高锰酸钾有机碳和颗粒有机碳,分别显著下降13.04 mg kg~(-1)、0.08 g kg~(-1)和0.92 g kg~(-1);从可氧化有机碳组分来看,来源于极不稳定碳和低不稳定碳,分别显著下降0.60和0.66 g kg~(-1)。与对照相比,长期覆膜显著降低了表层土壤碳库管理指数。(2)长期砂石覆盖和地膜覆盖降低了春玉米农田土壤全氮含量,其中,长期覆膜导致0-20 cm和20-40 cm土层土壤全氮分别显著降低6.73%和5.81%。长期覆盖导致了表层土壤全氮的显著下降,从氮组分上看,来源于水溶性氮和颗粒组分氮,分别显著下降0.75 mg kg~(-1)和0.08 g kg~(-1)。与砂石覆盖相比,地膜覆盖下的全氮和氮组分含量更低。(3)长期地表覆盖对表层土壤团聚体粒径分布(LM:>2 mm;SM:2-0.25 mm;MI:0.25-0.053 mm;SC:0.25 mm团聚体含量分别显著提高2.94%和5.00%,平均重量直径和几何平均直径分别显著提高8.95%和11.71%,但对团聚体破坏率和结构系数均无显著影响,而GM处理对团聚体数量和稳定性的影响已不显著。长期覆盖下,土壤团聚体碳氮浓度呈随团聚体粒径增大而增大的趋势,而对团聚体碳氮比无显著影响。长期覆盖降低了团聚体各组分碳氮浓度;降低了团聚体SM、MI和SC组分中有机碳和全氮单位含量,其中团聚体MI组分降幅最大,分别达0.63和0.08 g kg~(-1)。相对重要性分析结果表明,团聚体粒径分布对原土有机碳含量贡献更高,团聚体氮分布对原土全氮含量贡献更高;对原土有机碳贡献最高的是团聚体SM组分,对原土全氮贡献最高的是团聚体MI组分。(4)与FM处理相比,FCM处理显著提高0-20 cm和20-40 cm土层土壤有机碳和全氮,其中,表层土壤有机碳和全氮含量分别显著提高了48.12%和40.21%。与FM处理相比,FCM处理显著提高表层土壤各活性碳氮组分,以及极不稳定碳、不稳定碳和低不稳定碳组分。长期地膜覆盖配施有机肥对团聚体粒径分布和碳氮分布均有显著影响。与FM处理相比,FCM处理表层土壤>0.25 mm团聚体比例显著提高了16.25%,显著提高了团聚体各组分中有机碳和全氮浓度和>0.25 mm团聚体中有机碳和全氮单位含量。团聚体碳单位含量对原土有机碳含量贡献更高,团聚体氮分布对原土全氮含量贡献更高。其中,对土壤有机碳和全氮含量贡献最高的分别是团聚体SM组分和MI组分。与CU处理相比,CS处理显著提高了0-20 cm和20-40 cm土层有机碳和全氮含量,其中,表层土壤有机碳和全氮分别显著提高15.18%和14.29%。与CU处理相比,CS处理显著提高了表层土壤碳氮热水溶性有机碳、高锰酸钾有机碳、颗粒有机碳和热水溶性氮,以及极不稳定碳。与CU处理相比,CS处理下>0.25 mm团聚体比例显著提高10.80%,显著提高团聚体各组分的有机碳和全氮浓度和>0.25 mm团聚体中有机碳和全氮单位含量。(5)长期地膜覆盖和地膜覆盖配施有机肥均是提高作物产量和水分利用效率的重要措施,但长期覆膜显著降低了表层土壤中的碳和氮的储量。在黄土高原,覆盖条件下实现有机碳平衡的鲜牛粪(含碳7.25%)最低施用量约为10 Mg ha~(-1)yr~(-1)。与FM处理相比,FCM处理表层土壤的有机碳和全氮储量分别显著提高8.9和1.92 Mg ha~(-1),但长期外源有机质输入使有机碳逐渐达到稳定状态(不再显著增加),导致表层土壤的有机碳和全氮饱和亏缺显著下降。土壤碳氮饱和亏缺的结果表明,与CK处理相比,FCM处理显著提高了表层土壤当前碳氮库,显著降低了表层土壤的碳氮饱和亏缺,但对底层土壤的碳氮饱和亏缺影响较小。(6)与CU处理相比,CS处理对产量、水分利用效率和氮素利用效率的影响均不显著。CS处理表层土壤有机碳和全氮储量分别显著增加1.55和0.20 Mg ha~(-1),降低了表层土壤容重,显著增加了表层土壤当前饱和碳氮库,显著降低了表层土壤碳氮饱和亏缺。综上所述,从长期维持高产和提高土壤肥力的效果来看,地膜覆盖配施有机肥是干旱和半干旱地区实现春玉米农田长期可持续发展的最佳措施。