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《西北农林科技大学》 2017年
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土壤氨气及温室气体排放和有机碳库对农业管理措施的响应

刘帅  
【摘要】:不同农业管理措施对土壤中温室气体及氨气的排放和土壤结构及其有机碳库有重大影响。施用不同类型的肥料是提高农业生产效率最直接的方法,但是也会产生一系列环境问题,诸如温室气体和氨气的排放、土壤结构和理化性质退化以及土壤肥力的变化等。土壤碳氮和土壤结构的变化,不仅与肥料类型、养分配比有关,还与土地利用方式、生长的植物类型有关。因此,研究和揭示土壤中碳素和氮素的周转、土壤结构等对肥料类型、养分配比和土地利用措施响应的规律,对指导农业生产具有重要的意义。本研究包括三大部分:第一部分,不同施肥措施对土壤温室气体和氨气排放的影响。选取路易斯安那州南部的长期小麦试验为研究对象,设置7个施肥处理:CK-不施用任何肥料、U-尿素一次性施用(施用量112 kg N ha~(-1))、CU-聚合物包裹尿素一次性施用(施用量112kg N/ha)、SU-尿素分两次施用(每次施用量56 kg N ha~(-1))、SASU-尿素(施用量56 kg N ha~(-1))和硫酸铵(施用量56 kg N ha~(-1))结合施用、U+N-尿素(施用量112 kg N ha~(-1))配合脲酶抑制剂(NBPT)施用和U+D-尿素(施用量112 kg N ha~(-1))配合硝化抑制(DCD)剂施用。通过对小麦生长季土壤温室气体和氨气排放的观测,分析在相同施肥量下不同肥料类型对土壤碳素和氮素周转的影响。第二部分,长期施肥对土壤结构和有机碳库的影响。选取俄克拉荷马州的一个长期小麦试验作为研究对象,包括6个施肥处理:CK-不施用任何肥料、M-只施用有机肥、P-只施用磷肥、NP-氮肥和磷肥结合施用、NPK-氮磷钾肥结合施用和NPKL-氮磷钾肥结合石灰施用。通过对不同施肥措施条件下土壤和团聚体中有机碳、全氮和不同形态有机碳的研究,揭示土壤结构和不同土壤有机碳库对养分配比和有机无机配合施肥措施的响应。第三部分,不同土地利用方式对土壤结构和土壤有机碳库的影响。选取路易斯安纳州背部三个长期试验站作为研究对象,共包括三种土壤质地(粘土、粘壤土和粉壤土)和三种土地利用方式(作物轮作、能源作物和林地)。通过对不同质地土壤和土地利用方式下土壤和团聚体中有机碳、全氮和不同形态有机碳的研究,揭示土壤结构和不同土壤有机碳库对土壤质地和种植制度的响应。研究取得的主要结果如下:1.在7个不同施肥类型处理中(CK、U、CU、SASU、U+N、U+D),各施肥处理的NH_3排放量都高于不施肥处理(CK),其中U处理的NH_3损失量最大。与U处理相比,CU、U+N和U+D处理都显著降低了土壤中氮素的损失,NH_3-N排放的EF值分别为0.41%、0.54%和0.67%,分别比U处理减少了49%、39%和24%,差异达到显著水平。表明聚合物包裹尿素在抑制土壤中氨气释放方面效果最好,尿素配合脲酶抑制剂或硝化抑制剂也对氨气释放有一定的抑制作用,但效果不如聚合物包裹尿素。两个分施处理SU和SASU的氨气释放量虽然也低于U处理,但是差异不显著。2.所有施肥处理的N_2O排放量都高于CK处理。其中U和SU处理,N_2O的排放量都高于其他施肥处理。N_2O排放的主要峰值出现比NH_3的主要峰值要滞后10天左右,其主要峰值与气温及土壤温度紧密相关。处理U+N、CU、U+D和SASU的N_2O-N释放的EF值分别为0.12%、0.24%、0.28%和0.80%,分别比U处理减少87%、76%、69%和20%,差异达到显著水平。说明硝化抑制剂与脲酶抑制剂处理尿素和聚合物包裹尿素都能有效的降低土壤中N_2O的排放。所有施肥处理的CO_2的日平均释放量都要高于不施肥处理,土壤中CO_2的释放与土壤温度、气温具有显著的相关性,温度越高,排放量越大。肥料的施用给微生物提供了充足的营养物质以及促进土壤植物根系呼吸作用加强是引起土壤CO_2释放增多的主要原因。土壤中CH_4的排放在小麦生长季波动很大,有接近一半的结果为负值,说明旱地土壤一般作为CH_4的汇。3.在不同养分配比和肥料配比的长期定位试验中,长期施用化肥或有机肥均可增加土壤中有机碳的含量,其中以有机肥处理(M)增幅最大,与不施肥处理(CK)相比,分别使0-15cm和15-30cm土层有机碳含量增加了50.47%和21.02%,差异达到显著水平。说明肥料的施用对上层土壤有机碳的含量影响较大。所有施肥处理都增加了土壤中全氮的含量,有机肥处理增幅最大,与不施肥处理(CK)相比增加了30.2%。有机肥处理(M)分别使0-15cm土层中的水溶性碳含量(DOC)和酸溶性碳含量(HCl-C)增加了93.12%和46.72%。在15-30cm土层,处理M和NPKL分别使DOC含量增加了44.87%和24.23%;处理NPKL、M、NPK和NP显著增加了15-30cm土层HCl-C的含量。4.与CK相比,有机肥处理(M)显著增加了0-15cm土层2000μm和250-2000μm粒级的团聚体含量,其中2000μm粒级团聚体的百分含量从0.27%(CK)增加到2.31%(M),而250-2000μm粒级的团聚体百分含量从9.28%(CK)上升到17.09%(M),有机肥处理的增加幅度高于其他施肥处理,说明有机肥的施用对大粒级团聚体的形成有重要作用。单施化肥对53-250μm粒级的团聚体影响不大,对15-30cm土层的250μm粒级的团聚体有显著影响。肥料的施用均能显著增加团聚体的平均质量直径(MWD),MWD的大小次序为MNPKLNPKNPPCK。不同粒级团聚体中有机碳、全氮和酸溶性碳含量均随粒级的增大而增加,随土层的加深而逐渐减小。有机肥处理对提高土壤团聚体中SOC、TN和HCl-C含量的作用最明显,而无机肥处理中,均衡施肥处理(NP、NPK、NPKL)在增加土壤团聚体中养分含量方面要比单施P肥处理效果好。5.通过热解气相色谱/质谱(Py-GC/MS)对不同级别团聚体中有机物质的构成进行了研究。发现苯酚类化合物、芳香族化合物和多糖类含量随团聚体粒级的减小而降低,而含N化合物的含量则随团聚体粒级的减小而升高。有机肥和化肥施用都有利于土壤团聚体中苯酚类化合物、芳香族化合物、多糖类和含N化合物含量的升高。6.不同质地土壤有机碳的含量和活性组分所占比例有很大差异。在0-15cm土层有机碳的含量大小顺序为粘壤土粘土粉壤土,粘壤土的有机碳平均含量为14.28%,是粉壤土(9.54%)的1.5倍,粘壤土中水溶性碳和酸溶性碳含量分别是粉壤土的2.3和1.8倍;粘壤土、粘土和粉壤土中酸溶性碳占有机碳的比例分别为59.4%、50.5%和52%,说明三种土壤中粘壤土的有机碳活性最高。而在15-30cm土层,SOC、DOC和HCl-C的含量大小顺序为粘土粘壤土粉壤土,但是在酸溶性有机碳占有机碳比例方面,粘壤土达到67%,粘土和粉壤土分别为50%和55%,说明土壤质地对土壤中有机碳的活性有很大影响。7.不同土地利用方式对有机碳及其组分有重要影响。表层土壤中有机碳、水溶性有机碳和酸溶性有机碳的含量大小顺序表现为林地作物轮作能源作物,而土壤全氮含量的大小顺序则表现为作物轮作林地能源作物。土壤酸溶性有机碳在不同质地土壤中受土地利用方式的影响很大,且表现出不同的影响顺序。0-15cm土层酸溶性碳占有机碳的比例在粘壤土中表现为能源作物作物轮作林地,分别为63%、61%和55%;在粘土中表现为林地能源作物作物轮作,分别为53%、51%和48%;而在粉壤土中的顺序则是作物轮作能源作物林地,分别为55%、51%和50%。8.不同质地土壤中团聚体分布差异很大,粘土和粘壤土中以250μm粒级的团聚体为主,而粉壤土中则是以250μm粒级的团聚体为主。在粘壤土中,与作物轮作相比,林地显著增加了2000μm和250-2000μm粒级的团聚体含量,其中在0-15cm土层增加了82.3%和39.3%,在15-30cm土层增加量分别为111.8%和29.5%;作物轮作处理显著增加了53-250μm的团聚体含量,在0-15cm土层分别达到能源作物和林地处理的1.32和1.12倍,在15-30cm土层中则分别是他们的1.23和1.36倍。林地和能源作物处理中大团聚体含量较作物轮作处理高,而微团聚体以作物轮作处理中为最高。9.不同级别团聚体中有机碳和全氮含量以粘土中为最高,其次为粘壤土,粉壤土中最低。在三种质地土壤中,不同级别团聚体有机碳变化规律相同,大小次序为林地作物轮作能源作物,土壤全氮的大小顺序则表现为作物轮作林地能源作物。所有粒级团聚体中有机碳、全氮和酸溶性有机碳含量随着团聚体粒级的增大而增加。虽然粘土中不同级别团聚体中有机碳含量最高,但是在0-15cm土层,粘壤土不同粒级团聚体酸溶性碳的含量都明显高于粘土中对应粒级的酸溶性碳含量。在同一质地土壤中,林地处理的土壤酸溶性碳含量最高,其次为作物轮作,能源作物最低。综合来看,硝化抑制剂和脲酶抑制剂处理的尿素和聚合物包裹尿素都能有效抑制土壤中NH_3和N_2O的释放;施用有机肥和化肥均衡配施可以促进土壤中大团聚体的形成,并能提高不同粒级团聚体中有机碳和活性有机碳的含量;与粘土相比,粘壤土的粘粒含量适中,孔隙度较大,有利于微生物对有机物质的分解,从而促进大团聚体的形成;林地土壤扰动少,而且还有大量枯枝落叶的输入,有利于土壤中大团聚体的形成和团聚体中有机碳含量的提高。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S154.1

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