發(fā)布時間：2018-02-22 22:46

  本文關鍵詞： 保護性耕作 生物質炭 秸稈碳 有機碳官能團 土壤酶活性　出處：《西北農林科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：在農田生態(tài)系統(tǒng)中,人為管理措施諸如耕作體系、有機、及無機物質輸入等,都直接地決定和影響著土壤的有機碳庫的平衡、土壤結構狀況及作物生長發(fā)育。這直接影響著全球碳平衡和土壤質量,也影響著作物生長、產量以及水分利用效率等,是全球普遍關注的問題。本研究包括三大部分:第一部分,不同耕作措施對土壤結構和有機碳儲量影響的研究。采用始于2002年的不同耕作+秸稈還田長期定位大田試驗。包括深松、旋耕、免耕與對應的秸稈還田措施,以及傳統(tǒng)耕作七個處理。研究不同耕作措施對土壤結構穩(wěn)定性、顆粒有機碳(POC)分布、土壤有機碳(SOC)儲量、作物產量等指標的影響。第二部分,生物質炭和秸稈碳在等碳量添加條件下對土壤有機碳、酶活性和小麥生長影響的研究。采用盆栽培養(yǎng)試驗,研究生物質炭和秸稈碳等碳量添加條件下,不同添加水平對土壤水穩(wěn)性團聚體、活性有機碳組分、有機碳官能團、酶活性和酶動力學、以及對作物生長指標的影響。生物質炭添加水平為0.8%、2.4%、8.0%(BC0.8、BC2.4、BC8.0),秸稈的添加水平為1.0%、3.0%、10.0%水平(Str1.0、Str3.0、Str10.0),以及無外源碳輸入的對照(CK)共七個處理。第三部分,生物質炭和秸稈碳等碳量添加條件下礦化及周轉規(guī)律研究。通過室內培養(yǎng)試驗,研究不同外源碳在等碳量添加條件下,土壤有機碳庫的礦化規(guī)律,并利用雙碳庫指數模型進行擬合,探明不同外源碳輸入下土壤有機碳的轉化機理以及及有機碳庫的動態(tài)變化規(guī)律。研究取得的主要結果和進展如下:(1)揭示了關中地區(qū)X土上不同保護性耕作措施下土壤結構、有機碳及作物生長情況的變化,發(fā)現(xiàn)深松+秸稈還田處理有效增強了土壤結構的穩(wěn)定性及有機碳的累積,是適合研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件的合理耕作模式。(1)研究了不同耕作措施對土壤容中的影響,發(fā)現(xiàn)深松及旋耕模式,促進了0-10、10-20、20-30 cm土層土壤與有機物質的混合,使得土壤容重相對于免耕較小,有助于犁底層的減少。免耕模式主要增加了0-10和10-20 cm土層的土壤容中,相對于傳統(tǒng)耕作平均增加了11.3%-16.9%,且以免耕+秸稈還田模式增加幅度較大。(2)探明了不同耕作措施對土壤結構的影響。不同耕作模式對土壤的擾動深度和強度不同,對土壤水穩(wěn)性團聚體(WSA)分布的影響也有所不同。深松模式對于土壤結構體的影響主要集中在10-20 cm的亞表層土壤中,且主要增加了0.25-2 mm粒級的團聚體含量,相對于傳統(tǒng)耕作,土壤WSA 0.25-2 mm組分增加了5%。旋耕模式對土壤結構體的影響則主要集中在10 cm左右土壤深度,WSA 0.25-2 mm粒級團聚體含量則降低了6%,且隨著土壤深度的增加,下降趨勢明顯。免耕模式對土壤結構體的影響則集中在0-10cm的表層土壤中,與傳統(tǒng)耕作相比,免耕模式(nt)下wsa0.05mm顯著降低了18%,而wsa2mm卻增加了98%。(3)揭示了不同耕作措施對土壤有機碳累積的影響。研究表明,深松、旋耕、免耕模式都增加了土壤soc的儲量,相對于傳統(tǒng)耕作,0-30cm的土壤soc儲量平均增加了15%。深松、旋耕、免耕也增加了土壤poc含量;深松+秸稈還田模式下,表層土壤poc含量相對于傳統(tǒng)耕作,增加幅度最大(36.9%);旋耕模式次之,增加30%;免耕模式則增加27%。土壤結構體中的易氧化有機碳含量(pom-ooc、wsa-ooc)在旋耕和深松模式下都顯著增加了25%-36%,在免耕模式下pom-ooc變化不顯著。土壤結構體中活性有機碳(pom-aoc)含量隨土壤深度的增加逐漸降低;在表層土壤中,深松和旋耕模式相對于對照處理,pom-aoc平均增加了30%;免耕模式對于pom-aoc變化的影響則主要取決于秸稈還田與否。(4)探明了不同耕作措施下的作物產量和水分利用率變化。保護性耕作措施(深松、旋耕、免耕及秸稈還田措施)促進了作物產量的增加。深松+秸稈還田模式下的年際水分利用效率最高,相對于對照平均提高了16.4%。旋耕+秸稈還田、免耕+秸稈還田模式處理年際水分利用效率平均分別提高了10.5%和7.9%。相對于秸稈不還田處理,秸稈還田處理下則具有更高的土壤水分利用效率。(2)通過小麥盆栽試驗,對不同外源碳添加下土壤結構體、有機碳活性等進行了研究,發(fā)現(xiàn)生物質炭添加相對于秸稈具有更強的固碳能力,適當的生物質炭輸入(如2.4%輸入水平),具有最佳的土壤結構改善效果。(1)探明了添加生物質炭和秸稈碳輸入對土壤結構體分布的影響。土壤大顆粒團聚體含量(0.25mm)在bc2.4和bc8.0處理下,相對于對照,分別增加了16.9%和45.8%,達顯著水平;在土壤結構體的膠結方面,生物質炭輸入土壤后,與0.25mm粒級的大顆粒團聚體相互作用遠遠高于與小顆粒團聚體。秸稈輸入顯著增加了土壤中更大粒級(2mm)的團聚體分布,相對于對照處理,土壤大顆粒團聚體在str1.0,str3.0,str10.0處理下,依次分別顯著增加了65.1%,136%,208%。(2)研究了添加生物質炭和秸稈碳輸入對土壤有機碳組分的影響。相對于對照處理,生物質炭輸入條件下,土壤有機碳含量(soc)平均增加了13.2%-155.1%(bc0.8bc2.4bc8.0)。生物質炭少量添加(0.8%和2.4%)則增加了土壤微生物量碳含量(mbc),但卻不利于溶解性有機碳(doc)在土壤中的累積;生物質炭的過量添加則呈現(xiàn)相反的變化。秸稈添加條件下,土壤有機碳含量(soc)平均增加了8.6%-68.6%(str1.0str3.0str10.0)。秸稈輸入下土壤doc的變化規(guī)律與生物質炭處理相反,土壤doc在小麥各生育期增加了21.7-411%,且增加的幅度與秸稈碳輸入量成正比。(3)研究了不同外源碳添加下土壤酶活性及酶動力學參數變化。(1)探討了對土壤脲酶活性的影響。生物質炭添加對土壤脲酶活性呈現(xiàn)先激發(fā)后抑制的規(guī)律。其中,在小麥開花期,bc0.8、bc2.4、bc8.0相對于對照依次顯著降低了29.2%、27.8%、32.8%。秸稈碳添加在小麥各個生育期,土壤脲酶活性增加了26.0%-190.3%。(2)研究了對土壤轉化酶活性的影響。生物質炭適量添加可以促進土壤轉化酶活性的增加,相對于對照,土壤轉化酶活性顯著增加了6.9%-32.8%。然而過量的生物質炭添加,則會產生一定是的抑制作用,在bc8.0處理下,小麥成熟期土壤轉化酶活性顯著降低了6.7%。秸稈添加對土壤轉化酶活性的影響,則取決于土壤中有機物的分解程度,當有機物質腐解程度達到最高峰時,土壤轉化酶活性最大。其中,當在小麥拔節(jié)期時,此階段低量秸稈輸入下的秸稈腐解基本完全,轉化酶活性在str3.0處理顯著增加了33.5%,而str10.0和str1.0處理則顯著降低了21.8%和25.9%。隨著秸稈的不斷分解,在小麥開花期,str10.0處理下轉化酶活性顯著增加了10.0%,str1.0和str3.0則下降了3.7%和4.5%。(3)探明了對土壤過氧化氫酶活性的影響。生物質炭輸入條件下,相對于對照,過氧化氫酶的活性顯低了4.0%-11.6%,且隨著生物質炭的添加量增大,對土壤中過氧化氫酶活性的抑制作用增強。秸稈添加后,過氧化氫酶活性在不同生育期呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,變化幅度與秸稈添加量有關。其中,在小麥抽葉期,相對于對照,土壤過氧化氫酶活性依次分別顯著增加了5.6%、7.3%、8.9%,但在開花期則分別下降了5.5%、3.8%、3.1%。(4)探討了對酶動力學參數的影響。生物質炭添加促進了土壤脲酶-底物復合體的形成,增大了土壤中脲酶酶促反應的潛在容量。而在秸稈輸入條件下,低量輸入水平(3%),土壤脲酶與底物的親和力最大,且土壤脲酶潛在容量甚至高于生物質炭添加。生物質炭或秸稈添加都明顯增加了土壤轉化酶和底物的親和程度。(4)研究了不同外源碳添加下土壤有機碳官能團化學組成穩(wěn)定性。紅外光譜表明,生物質炭和秸稈碳輸入,改變了土壤不同有機碳官能團的組成比例,即化學組成穩(wěn)定性。其中,生物質炭添加,是土壤芳香族c-h碳、芳香族胺基、芳香酮、酯類等碳的主要來源;而秸稈碳添加,則是土壤中烯烴類碳,以及土壤中多糖的主要來源。(5)通過室內培養(yǎng)試驗,探討了生物質炭和秸稈碳添加下有機碳的礦化規(guī)律。在相同c量的生物質炭和秸稈碳輸入條件下,秸稈增加了土壤co2的累積釋放量;相對于ck處理,秸稈處理str1.0、str3.0及str10.0其co2累積釋放量依次分別增加了139.50%、378.22%及631.03%。生物質炭的適量添加(0.8%、2.4%)可以降低土壤co2的釋放,其中在培養(yǎng)210d后,bc0.8和bc2.4處理下,co2累積釋放量相對于ck分別降低了5.04%和8.08%。過量的生物質炭添加(8.0%)則會明顯增強土壤co2的排放,在bc8.0處理下,co2累積釋放量相對于ck增加了26.19%。(6)研究和揭示了不同外源碳添加下對作物生長的影響。(1)不同外源碳添加對作物光合及蒸騰作用的影響。隨著小麥的生長,生物質炭輸入顯著增加了作物的光合和蒸騰作用。其中,在小麥生長旺盛的開花期,與對照相比,施用BC0.8、BC2.4和BC8.0小麥凈光合速率依次分別增加44.9%、66.1%和53.9%,其中施用BC2.4效果最顯著。在開花期BC0.8和BC2.4分別增加了小麥蒸騰速率9.6%和21.3%,但是BC8.0使其降低了27.3%。秸稈在少量輸入(1.0%和3.0%)條件下,會促進作物的光合作用,而過量輸入(10%)則會抑制作物的生長發(fā)育,且抑制作用強度隨秸稈添加量的增加而增大。(2)不同外源碳輸入對小麥產量的影響。生物質炭輸入可以顯著促進作物生長和產量的增加,而其大量輸入則會產生一定的抑制作用。其中,BC0.8和BC2.4分別增加了小麥蒸騰速率9.6%和21.3%,但是BC8使其降低了27.3%。秸稈的過量添加會嚴重抑制作物的生長和產量的提高。其中,相對于對照,Str1顯著增加了6.0%的小麥產量,而Str3和Str10處理則使小麥產量分別顯著降低了37.3%和90.1%。(7)分析了田間耕作以及外源碳添加兩個系統(tǒng)下土壤結構、有機碳、以及生物指標的相關關系。(1)在不同耕作模式管理系統(tǒng)中,土壤中POC含量的累積增加,會促進土壤中大顆粒團聚體的形成;POM-AOC相對于POC和OOC兩個指標,在評估耕作方式對土壤結構產生影響方面,具有更高的靈敏度。POC含量與土壤0.25-2 mm水穩(wěn)性團聚體(WSA0.25-2 mm)顯著相關。顆粒有機物中活性有機碳的含量(POM-AOC)與土壤POC及0.05 mm粒級團聚體中活性有機碳的含量(WSA-AOC)顯著相關。(2)在不同外源碳輸入體系中,土壤結構指標、有機碳指標及生物指標間的相關性分析表明:在生物質炭輸入條件下,土壤性狀的改善主要是通過激發(fā)土壤中過氧化氫酶的活性,進而增加了土壤中活性碳庫的儲量及0.25 mm粒級水穩(wěn)性大顆粒團聚體的累積;而對于作物生長的影響作用則與轉化酶活性有關。其中,土壤中脲酶、過氧化氫酶活性與水穩(wěn)性大顆粒團聚體顯著正相關。作物凈光合速率、葉綠素、產量與土壤脲酶、過氧化氫酶活性呈顯著負相關關系。在秸稈碳輸入條件下,則主要增加了土壤中2 mm粒級大顆粒團聚體的形成,并將活性碳素緊緊包裹在該粒級結構體中。土壤脲酶活性的增強與作物生長之間存在對N素的競爭加劇,不利于作物干物質的積累。秸稈添加后,土壤中僅2 mm粒級團聚體與活性有機碳組分MBC、DOC極顯著正相關。小麥凈光合速率、葉綠素、產量與土壤中脲酶活性呈顯著或極顯著負相關關系。
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本文編號：1525501