農田土壤碳氮是評價農田土壤質量的重要指標,在土壤可持續(xù)利用中具有重要作用;而土壤微生物是土壤有機質轉化的主要動力,調控生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動。然而土壤微生物對所生存的微環(huán)境十分敏感,易受不同調控措施的影響,進而改變土壤碳氮轉化。覆膜是半干旱農作區(qū)增溫保墑和提高作物產量的有效措施,但是覆膜條件下如何維持土壤肥力、平衡土壤碳、氮、磷三種養(yǎng)分元素也是亟待解決的問題。有機肥和來源于生物有機廢棄物的生物炭可改善土壤微生態(tài)環(huán)境、提高土壤肥力,為旱作農田生產力可持續(xù)性研究提供了新的思路。本研究以黃土高原地區(qū)種植春玉米的旱作農田土壤為研究對象,以田間多年定位試驗為基礎并結合室內培養(yǎng),從農田土壤-微生物-植物的角度,開展了農田土壤碳氮磷和土壤微生物的動態(tài)變化對覆膜、配施有機肥和生物炭等調控措施的響應研究,評價了不同調控措施對農田土壤養(yǎng)分轉化和作物利用的影響。以期為優(yōu)化旱作農田養(yǎng)分管理措施,增加農業(yè)碳匯能力,有效調控農田養(yǎng)分利用和土壤的可持續(xù)利用提供一定的科學依據。本研究獲得主要結果如下:(1)添加不同有機物料對土壤碳氮動態(tài)的影響表現出顯著差異,秸稈對土壤碳氮礦化的影響更顯著。短期培養(yǎng)條件下,與對照相比,單施秸稈顯著增加土壤累積CO_2釋放量,單施生物炭對CO_2排放無顯著影響,而秸稈與生物炭混合添加時CO_2累積釋放量隨生物炭量的增加而增加。添加有機物料增加土壤有機碳和全氮,降低礦質氮含量。~(13)C和~(15)N示蹤的進一步研究表明,秸稈在分解過程中不斷參與土壤碳氮的形成,秸稈碳對CO_2釋放的貢獻較土壤原有有機碳大而秸稈氮較多的保留在土壤中。培養(yǎng)前期秸稈對土壤碳礦化表現為正激發(fā)效應,而在后期負激發(fā)效應程度逐漸增強。秸稈添加提高了土壤碳的周轉速率,促進了土壤有機質的更新;但顯著降低土壤氮的潛在氣態(tài)損失,增加土壤氮含量。(2)土壤碳氮及其組分對不同調控措施的響應不同,配施有機肥和生物炭增加土壤有機碳和總氮,但對有機碳氮組分的影響在不同生育期和不同年份差異較大。與對照(CK)相比,覆膜(PF)對有機碳和全氮的含量和儲量無顯著影響,有機肥配施(FM)顯著增加有機碳和全氮的含量和儲量。然而,與試驗開始前相比,CK和PF處理有機碳和全氮表現為負增加,且PF處理的負增加程度更大;FM土壤有機碳和全氮為正增加,有利于提高土壤有機碳和全氮。2015年和2016年兩年試驗表明土壤有機碳氮組分在不同生育期受覆膜和施肥的影響,PF增加2015年PT和V6時期水溶性有機碳而降低2016年PT時期水溶有機碳;PF顯著增加2015年和2016年V6和R5時期水溶性有機氮,FM則增加試驗兩年不同生育期水溶性有機碳氮;PF對2015年各生育期易氧化有機碳無影響而FM增加2015年0-10 cm土層R6時期和10-20 cm土層R5時期易氧化有機碳。與配施有機肥一樣,生物炭顯著增加土壤有機碳和全氮含量和儲量,且30 t ha~(-1)的生物炭(BC30)增加效果更顯著。與試驗開始前相比,生物炭施用土壤有機碳表現為正增加,減緩了土壤有機質的消耗。對2015年和2016年有機碳氮組分的研究表明,生物炭顯著增加了土壤水溶性有機碳氮和易氧化有機碳含量,不同生育期表現出不同的特征。因此,覆膜條件下配施有機肥與生物炭施用可以提高土壤有機質水平,增加土壤碳氮的有效性。(3)覆膜條件下配施有機肥顯著增加試驗兩年玉米不同生育期土壤微生物量碳、氮和磷;增加土壤氨基糖累積量,促使土壤中微生物群落向細菌群落轉變,提高土壤養(yǎng)分的有效性。生物炭對土壤微生物量和功能多樣性的影響具有明顯的異質性。覆膜條件下有機肥配施顯著增加2015和2016年不同生育期的土壤微生物量碳、氮和磷,覆膜對土壤微生物量碳、氮和磷的影響則與生育期有關。與不施生物炭(BC0)相比,BC30顯著降低2014年各生育期土壤微生物量碳、氮而顯著增加2014年各生育期土壤微生物量磷含量和2015年各生育期微生物量碳、氮、磷�？傮w而言,有機肥配施和生物炭施用均對土壤微生物量有一定的促進作用。覆膜和配施有機肥7年后,0-10cm土層PF處理土壤總氨基糖累積量顯著降低19.2%;FM顯著增加0-10 cm和10-20 cm土層氨基糖的累積,分別增加26.3%和38.1%。不同類型的氨基糖在土壤中含量均為氨基葡萄糖(GluN)氨基半乳糖(GalN)胞壁酸(MurA)。FM處理顯著降低GluN:MurA比值,促使土壤中微生物群落向細菌群落轉變。對玉米拔節(jié)期生物炭對土壤微生物功能多樣性影響的研究表明,生物炭顯著降低土壤AWCD值和碳源利用能力,且10 t ha~(-1)生物炭(BC10)的降低作用較BC30明顯;BC10顯著降低0-10 cm和10-20 cm土層微生物豐富度S而顯著增加10-20 cm土層微生物均勻度E,BC30顯著降低10-20 cm土層土壤微生物豐富度S。由此,生物炭對農田土壤微生物功能多樣性影響的差異性與生物炭對利用特定碳源微生物的選擇性有關。(4)旱作農田不同調控措施下土壤、微生物量和生態(tài)酶的化學計量學特征具有較一致性和相對特異性。PF顯著降低0-10 cm土層SOC:TN,FM則顯著增加10-20 cm土層SOC:TP、0-10 cm和10-20 cm土層TN:TP;但FM顯著降低0-10 cm和10-20 cm土層MBC:MBP,PF和FM均顯著降低10-20 cm土層MBN:MBP;與CK相比,FM顯著增加0-10 cm土層βG:NAG和10-20 cm土層βG:AP。生物炭對土壤生態(tài)化學計量學特征的影響則與其施用量有關。與BC0相比,BC10和BC30均顯著增加0-10 cm和10-20cm土層SOC:TN和0-10 cm土層SOC:TP;BC30顯著增加0-10 cm和10-20 cm土層MBC:MBN,分別增加9.8%和36.9%,BC10顯著降低0-10 cm和10-20 cm土層MBC:MBP,BC10和BC30均顯著降低10-20 cm土層MBN:MBP,分別降低26.8%和37.4%;BC10顯著增加0-10 cm土層βG:NAG,BC30顯著增加0-10 cm和10-20 cm土層βG:NAG和βG:AP。相關性分析表明MBC:MBN和βG:NAG與SOC:TN和SOC:TP顯著正相關,MBN:MBP與SOC:TN、SOC:TP和NAG:AP顯著負相關。因此,有機肥配施和生物炭加劇微生物體內C和N的限制,促使相應酶活性的提高使微生物截獲更多的碳氮,提高土壤碳氮水平。(5)~(15)N示蹤結果表明,覆膜和有機肥配施均顯著增加作物產量和籽粒氮素累積量,降低當季作物對肥料氮的吸收比例。作物吸收的氮素優(yōu)先分配在籽粒中,且籽粒對殘留氮的吸收比例較作物其它部分在第二季作物中更大,肥料氮的后效作用不可忽略。第一季玉米收獲后肥料氮有26.7%-62.6%殘留在土壤中,FM顯著提高了殘留氮的比例,有效的補充了土壤氮的消耗。殘留肥料氮主要集中在表層土壤,這有利于氮肥利用效率的增加。經過兩個生長季后,施入的肥料氮的殘留率在7.5%-20.2%之間,與CK相比,FM顯著增加肥料氮殘留率而降低肥料氮損失率,PF顯著降低肥料氮殘留率;PF和FM處理均顯著增加肥料氮利用率,但FM處理增加效果更顯著。因此,旱作農田覆膜增產條件下,配施有機肥可以有效調控土壤養(yǎng)分并改變其有效性,在增加氮素吸收利用效率的同時維持土壤氮庫、減少氮素損失,有利于旱作農田養(yǎng)分的高效利用和土壤肥力的可持續(xù)性。
【學位單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：S153.6;S154.3
【部分圖文】：

用軟件 Sigmaplot 12.0 繪圖。2.3 結果與分析2.3.1 生物炭和秸稈對土壤碳氮礦化的影響隨培養(yǎng)時間的推移各處理 CO2排放速率逐漸降低，第 1 天排放速率最高，CK、S、B1、B1S 和 B2S 處理 CO2排放速率分別為 193.68、874.70、182.09、842.09 和 734.05 mgC kg-1d-1（圖 2-1）。與 CK 相比，B1 處理對 CO2排放速率無影響，S、B1S 和 B2S 處理顯著增加 CO2排放速率，在培養(yǎng)前 7 天 S 處理顯著高于 B1S 和 B2S 處理，之后 S、B1S 和 B2S 處理間無顯著差異。與 CK 相比，B1 處理對 CO2累積排放量無顯著影響，S、B1S 和 B2S 則顯著增加累積排放量。培養(yǎng)前 10 天 B2S 處理累積排放量顯著低于 S 處理，而 B1S 與 S 處理間無顯著差異；培養(yǎng)結束時 B2S 處理累積排放量顯著高于其它各處理。培養(yǎng)結束時，與 CK 相比，S、B1S 和 B2S 處理均顯著增加碳礦化量，B1 無顯著變化，各處理土壤碳累計礦化量順序為 B2S > S > B1S > CK > B（表 2-1）。S 處理凈碳礦化量顯著高于其它處理，添加秸稈增加土壤凈碳礦化量，生物炭則降低土壤凈碳礦化量，但B1S 與 B2S 處理間無顯著差異，B1 處理凈碳礦化率為-0.18%。

0.99±9.10d - 39.56±0.72a 3.72±36.05b 20.49±1.75a 3.86±0.04d 4.40±25.88d -0.18±0.03c 34.75±0.65b 4.43±21.07c 16.76±0.92b 5.18±0.11c 0.49±39.92a 16.85±1.28b 4.86±0.11c 顯著差異性（P< 0.05），表中數據為平均值±標準差（umn indicated significant difference at P< 0.05. Values生物炭和秸稈顯著降低培養(yǎng)期間土壤礦質氮含 CK > B1 > B1S > B2S > S（表 2-1），S、B1 礦質氮含量變化趨勢一致，在培養(yǎng)初期礦質氮、B1S 和B2S 礦質氮含量先迅速下降后逐漸下降氮含量僅為初始值的 10%左右。與 CK 相比，分別為-0.47%、-3.58%、-3.32%和-3.22%，B1 1S 和 B2S 處理間無顯著差異。

第二章 有機碳源對土壤碳氮礦化效應及其去向研究 21有顯著差異。生物炭和秸稈對水溶性有機碳的影響與有機碳不一致。與 CK 相比，第 1天 S 和 B1 處理顯著降低水溶性有機碳，B2S 處理顯著增加水溶性有機碳，而 B1S 無顯著差異；第 14 天 S、B1S 和 B2S 處理均顯著增加，而 B1 處理顯著降低水溶性有機碳；第 35 天 S、B1、B1S 和 B2S 均顯著增加水溶性有機碳，S 處理增加最為顯著，而 B1S和 B2S 間無顯著差異。土壤微生物量碳在培養(yǎng)第 1 天最大，隨培養(yǎng)時間的推移土壤微生物量碳迅速降低并保持相對穩(wěn)定（圖 2-3 c）。與 CK 相比，處理 S、B1S 和 B2S 均顯著增加土壤微生物量碳，B1 無顯著影響。

本文編號：2833812