發(fā)布時(shí)間：2017-12-15 04:08

  本文關(guān)鍵詞：長(zhǎng)期不同施肥下紫色水稻土有機(jī)碳變化特征及影響機(jī)制

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【摘要】：土壤碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本過(guò)程,也是溫室氣體的重要的源或匯,在全球氣候和環(huán)境變化中扮演著重要角色。同時(shí),土壤有機(jī)碳影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等一系列性質(zhì)和過(guò)程,提升土壤有機(jī)碳對(duì)于維持土壤肥力、提高生產(chǎn)力、確保糧食安全有重要意義。紫色水稻土是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)土壤,集中分布在四川盆地,該區(qū)域是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域之一。施肥是影響土壤有機(jī)碳變化的重要農(nóng)田管理措施,土壤有機(jī)碳的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程,長(zhǎng)期試驗(yàn)是研究土壤有機(jī)碳變化、揭示其變化機(jī)制的重要平臺(tái)。本文利用重慶市北碚區(qū)“國(guó)家紫色土肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測(cè)基地”的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn),選取水稻-小麥輪作體系不施肥(CK)、單施氮肥(N)、磷鉀配施(PK)、氮鉀配施(NK)、氮磷配施(NP)、氮磷鉀配施(NPK)、氮磷鉀配施+秸稈還田(NPKS)、高量氮磷鉀配施+秸稈還田(1.5NPKS)和氮磷鉀配施+畜禽糞尿肥(NPKM)處理,利用保存的歷史土壤樣品和歷年的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù),通過(guò)分析土壤有機(jī)碳的時(shí)間序列變化,計(jì)算土壤固碳量、碳輸入量和固碳效率,明確不同施肥處理下紫色水稻土的固碳特征;采用粒徑、密度、化學(xué)分組方法,研究長(zhǎng)期不同施肥下紫色水稻土有機(jī)碳不同活性和穩(wěn)定性組分的變化,明確長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量的影響以及礦物化學(xué)保護(hù)機(jī)制;利用穩(wěn)定性同位素和核磁共振技術(shù),研究團(tuán)聚體有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)和周轉(zhuǎn)特征,揭示施肥影響紫色水稻土有機(jī)碳的生物化學(xué)保護(hù)機(jī)制;結(jié)合團(tuán)聚體分組與核磁共振、穩(wěn)定性同位素技術(shù),研究長(zhǎng)期施肥對(duì)不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳數(shù)量和性質(zhì)的影響,探討團(tuán)聚體與有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的關(guān)系以及施肥影響有機(jī)碳的團(tuán)聚體保護(hù)機(jī)制;為促進(jìn)紫色水稻土固碳、提高土壤生產(chǎn)力、實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:1.長(zhǎng)期不同施肥下紫色水稻土有機(jī)碳變化特征22年長(zhǎng)期不同施肥顯著影響了紫色水稻土有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量,有機(jī)肥與化肥配施土壤有機(jī)碳含量顯著高于化肥和不施肥處理,有機(jī)肥與化肥配合施用的土壤有機(jī)碳含量比試驗(yàn)前提高18%-25%,其中化肥配施秸稈還田處理提升效果優(yōu)于化肥配施廄肥處理;單施化肥的各處理土壤有機(jī)碳含量與試驗(yàn)前相比總體上穩(wěn)中有升,以氮磷和氮磷鉀配施提高幅度最大(比試驗(yàn)前提高16%)。從演變趨勢(shì)上看,不施肥ck、n、pk處理土壤有機(jī)碳含量與試驗(yàn)前差異不大,在低水平上保持平衡;其他處理有機(jī)碳隨著試驗(yàn)?zāi)晗蘅焖偬岣�。土壤固碳量、碳輸入量和固碳效率結(jié)果表明,22年有機(jī)肥與化肥無(wú)機(jī)配合施用處理土壤固碳量和速率分別為5.4-8.3t/ha和244-378t/ha/yr;化肥處理土壤固碳量為6.6-7.1t/ha,固碳速率為302-322kg/ha/yr。相對(duì)于不施肥和化肥偏施處理,氮磷鉀化肥平衡施用以及化肥配施有機(jī)肥通過(guò)提高作物根茬等有機(jī)碳?xì)w還量,提高了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、固碳量和固碳速率。土壤有機(jī)碳存在飽和和平衡水平,有機(jī)碳投入存在報(bào)酬遞減率,隨有機(jī)碳輸入量提高,土壤固碳的邊際效率逐漸下降。長(zhǎng)期施肥顯著提高水稻和小麥產(chǎn)量,稻麥產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān),土壤有機(jī)碳含量每提升1g/kg,水稻籽粒產(chǎn)量提高627kg/ha,小麥提高313kg/ha�？梢�(jiàn),有機(jī)肥與化肥配合施用,是促進(jìn)紫色水稻土固碳和產(chǎn)量提升的重要施肥管理措施。2.長(zhǎng)期不同施施肥對(duì)紫色水稻土有機(jī)碳組分的影響長(zhǎng)期不同施肥比不施肥提高了有機(jī)碳各活性組分的含量,改善了土壤有機(jī)碳質(zhì)量�；逝涫┙斩掃�田效果最佳,溶解性有機(jī)碳(doc)、易氧化有機(jī)碳(poxc)、輕組有機(jī)碳(lf-c)顆粒態(tài)有機(jī)碳(pom-c)分別比不施肥提高了30.5%、43.8%、59.5%和19.3%。土壤有機(jī)碳各活性組分與總有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān),是反映總有機(jī)碳變化的敏感指標(biāo)。長(zhǎng)期施肥比不施肥提高了有機(jī)碳穩(wěn)定性組分的含量,包括礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mom-c)、重組有機(jī)碳(hf-c)及不同化學(xué)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳,化肥配施秸稈還田提高幅度最大。鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(fe/al-oc)和胡敏素態(tài)有機(jī)碳(humin-oc)的變化解釋了總有機(jī)碳變化的43.1%和48.0%,二者之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)碳通過(guò)鐵鋁離子及氧化物的化學(xué)保護(hù),進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的胡敏素,是紫色水稻土有機(jī)碳累積的重要機(jī)制。3.長(zhǎng)期不同施肥對(duì)紫色水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響紫色水稻土團(tuán)聚體分布以微團(tuán)聚體(250-53μm)為主,其次為大團(tuán)聚體(250μm)和粉粘組分(53μm)。與不施肥相比,長(zhǎng)期施肥促進(jìn)了大團(tuán)聚體形成,大團(tuán)聚體的重量比例增加,微團(tuán)聚體比例下降,團(tuán)聚體平均重量直徑增加,團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高。長(zhǎng)期施肥強(qiáng)化了團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)。長(zhǎng)期施肥提高了各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量,化肥配施秸稈還田提升幅度最高。土壤總有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉粘組分有機(jī)碳呈顯著正相關(guān),表明有機(jī)碳的累積取決于各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化;各粒徑團(tuán)聚體對(duì)總有機(jī)碳變化的貢獻(xiàn)以大團(tuán)聚體最大,其次微團(tuán)聚體,粉粘組分最小。大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用在土壤固碳中起著重要作用,不同處理間大團(tuán)聚體有機(jī)碳變化幅度最大,對(duì)施肥的響應(yīng)敏感,而微團(tuán)聚體重量比例最高,是土壤固碳的主要場(chǎng)所。4.長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)和周轉(zhuǎn)的影響利用穩(wěn)定性同位素和核磁共振分析技術(shù),研究長(zhǎng)期不施肥CK、氮磷鉀配施NPK、化肥配施秸稈NPKS對(duì)總有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。穩(wěn)定性同位素分析表明,長(zhǎng)期施肥后土壤δ~(13)C值比試驗(yàn)初降低,趨向于水稻和小麥植株的δ~(13)C值,表明施肥促進(jìn)有機(jī)物歸還及秸稈還田,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。NPK和NPKS處理大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉粘組分有機(jī)碳δ~(13)C值均比不施肥降低,NPKS處理降低幅度更大,施肥促進(jìn)了各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。核磁共振結(jié)果表明,紫色水稻土烷氧碳相對(duì)含量最高,其次為烷基碳,芳香碳和羰基碳比例較小,表明土壤有機(jī)質(zhì)是脂族本質(zhì),而非芳香本質(zhì)。與不施肥土壤相比,長(zhǎng)期施肥提高了耕層土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,但降低了下層土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。耕層土壤NPK處理烷氧碳降低、芳香碳和羰基碳增加,烷基碳/烷氧碳比和芳香度提高;NPKS處理烷基碳增加、烷氧碳降低,烷基碳/烷氧碳比提高。NPK和NPKS處理對(duì)下層土壤的影響一致,烷氧碳提高,烷基碳、芳香碳和羰基碳含量降低,烷基碳/烷氧碳比和芳香度下降,NPKS處理變化幅度大于NPK處理。團(tuán)聚體有機(jī)碳結(jié)構(gòu)分析表明,長(zhǎng)期施肥主要通過(guò)微團(tuán)聚體和粉粘組分的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高耕層土壤總有機(jī)碳的穩(wěn)定性,微團(tuán)聚體和粉粘組分有機(jī)碳結(jié)構(gòu)與總有機(jī)碳變化一致,而大團(tuán)聚體烷基碳下降、烷氧碳增加、烷基碳/烷氧碳比降低、芳香度增加。長(zhǎng)期施肥對(duì)下層土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響與總有機(jī)碳一致,表現(xiàn)為烷基碳含量下降、烷氧碳增加、烷基碳/烷氧碳比下降,有機(jī)碳穩(wěn)定性下降。綜上所述,長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用提高了土壤有機(jī)碳輸入和周轉(zhuǎn),有機(jī)碳在大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的物理保護(hù)以及土壤礦物的化學(xué)保護(hù)下,逐漸累積并增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,從而提高紫色水稻有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S153.6
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本文編號(hào)：1290539