【摘要】：我國是農(nóng)業(yè)大國,畜禽糞便、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富,畜禽糞便與秸稈還田是消納農(nóng)業(yè)廢棄物資源、提升土壤肥力、提高作物產(chǎn)量的有效措施。華北平原是我國主要旱地糧食小麥-玉米的糧食作物的生產(chǎn)區(qū)之一,研究畜禽糞便、秸稈還田對該地區(qū)作物產(chǎn)量、土壤肥力以及氮素流失風(fēng)險具有重要意義。針對華北平原不同有機物料投入對農(nóng)田碳氮協(xié)同轉(zhuǎn)化特征及環(huán)境效應(yīng)等關(guān)鍵問題,本文依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部昌平潮褐土生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站27年(1990-2016年)長期定位試驗,試驗小區(qū)面積200 m~2(10 m×20 m),采用田間試驗化學(xué)分析、實時定量qPCR等技術(shù)定量研究不施氮肥(PK)、單施化肥(NPK)、施用豬糞(NPKM、NPKM+)、秸稈還田(NPKS)等不同處理對小麥-玉米產(chǎn)量、土壤碳氮含量及氮循環(huán)相關(guān)微生物基因豐度等的影響。論文取得的主要結(jié)果如下:1.長期施用糞肥和秸稈還田均可顯著提高作物產(chǎn)量。27年長期定位試驗表明,在單施化肥基礎(chǔ)上,施用糞肥、秸稈還田可增加小麥產(chǎn)量為31%-37%、19%,增加玉米產(chǎn)量為35%、21%。2.長期施用糞肥和秸稈還田均可顯著提高土壤碳庫。補充0.31 t ha~(-1)年~(-1)外源碳(NPK),土壤有機碳庫基本保持穩(wěn)定,維持在19.1-23.9 t C ha~(-1);補充1.24 t ha~(-1)年~(-1)外源碳(NPKS),土壤碳庫在15年后達到穩(wěn)定,飽和前的增長速率為1.8%,之后基本穩(wěn)定在20.5-26.1 t C ha~(-1);補充5.10-8.25t ha~(-1)年~(-1)外源碳(NPKM、NPKM+),前10年土壤碳庫的增加速率為2.8-2.9%,10-27年期間土壤增加速率提高到4.7%-7.4%。3.長期施用糞肥和秸稈還田顯著提高土壤氮庫。補充338 kg ha~(-1)年~(-1)外源氮(NPK),土壤氮庫基本保持穩(wěn)定,維持在1.8-2.0 t N ha~(-1);補充372.1 kg ha~(-1)年~(-1)外源氮(NPKS),土壤氮庫15年達到穩(wěn)定,穩(wěn)定前的增長速率為0.04%,之后基本穩(wěn)定在2.1-2.3 t N ha~(-1);補充586.3-707.5 kg ha~(-1)年~(-1)外源氮(NPKM、NPKM+),前15年土壤氮庫的增加速率為2.3%,15-27年期間土壤增加速率提高到4.1%-4.9%。4.長期增施糞肥會增加土壤氮素淋失風(fēng)險,秸稈還田有助于增強土壤氮素固持能力。糞肥處理中全氮輸入量是化肥處理的1.7-2.1倍,其0-200 cm剖面硝態(tài)氮含量是NPK(67.6 kg N ha~(-1))的7.6-8.4倍,表觀平衡氮盈余是NPK處理的1.4-2.5倍,表明增施糞肥會增加土壤氮素淋失風(fēng)險,這與糞肥本身帶入的大量氮有關(guān)。氮循環(huán)相關(guān)功能基因豐度與長期不同施肥處理的相關(guān)性分析表明,與NPK相比,長期增施糞肥會顯著增加氨氧化細菌豐度,增加土壤硝化速率(r=0.66,P0.05),表明增施糞肥中土壤氮素淋溶風(fēng)險的增加主要歸因于氨氧化細菌活性和土壤硝化速率的增加。NPKS處理中0-200 cm剖面硝態(tài)氮含量雖比NPK處理略有增加,但土壤氮盈余顯著降低(39%),尤其是深層土壤中(120-200 cm)較高的負氮礦化速率(3.4-15倍),表明秸稈還田有助于增強土壤氮素固持能力�？傊�,在單施化肥基礎(chǔ)上增施糞肥或秸稈還田可提高華北平原小麥-玉米輪作的作物產(chǎn)量和增加土壤碳氮含量,但增施糞肥施肥水平偏高,硝態(tài)氮累積問題突出,嚴(yán)重威脅地下水安全。
【圖文】：

圖 1- 1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮來源及氮去向Fig. 1-1 Source and destintion of nitrogen in agroecosystem另一種良好的、利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的外源氮輸入途徑。秸稈還田作物的產(chǎn)量和氮吸收(Zhang et al., 2015b)。近年來，小麥、玉米等集中在作物氮素需求與土壤氮素供應(yīng)在生長季節(jié)的同步性上(Cui n 等(2019)發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田的早期生長階段，土壤無機氮和小麥氮比的秸稈摻入促進了微生物生長和微生物固氮(Thuy et al., 200在秸稈還田中摻入一定比例的基肥氮，以彌補生長初期微生物固氮

2016a)。木質(zhì)素含量低的不穩(wěn)定有機物施用后的微生物量碳和 Shannon 多樣性指質(zhì)素含量高的難改性有機物料改性后的微生物量碳和 Shannon 多樣性指數(shù)(Bending層土壤相比，表層土壤中的微生物量濃度增加，表明表層土壤具有較高的基質(zhì)利用性。表層土壤中有機碳和活性碳的濃度增加可能是因為較高的碳輸入和根結(jié)anqui and Lal, 2008)。微生物學(xué)過程在土壤中的轉(zhuǎn)化如圖 1-2 所示。氮素在土壤中轉(zhuǎn)化的主要途徑為：(1)氮素礦化：是氮素循環(huán)過程中最基礎(chǔ)的一步，復(fù)雜的有機氮化合物在微生物作用下轉(zhuǎn)變成礦質(zhì)氮 et al., 2014)。(2)氮的固定：包括生物固定和非生物固定，生物固定主要是無機氮被變?yōu)槲⑸矬w中有機氮的過程，而非生物固定則是銨離子被黏土礦物晶格的固定硝化：硝化作用是 NH4+發(fā)生氧化作用生成 NO3-，，反硝化作用是 NO3-在厭氧條件下等氮氧化物，這兩過程中產(chǎn)生的硝態(tài)氮和氮氧化物可能會增加氮素損失，但也可被少氮素損失。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S158;X71

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本文編號：2615119