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《中国农业科学院》 2015年
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农业恢复措施对黑土母质发育的新成土土壤结构性质的影响

孙经伟  
【摘要】:土壤结构控制土壤水分、养分的储存运输和气体扩散,调控土壤微生物活动,因此决定了土壤生态服务功能。农业恢复措施通过调控土壤结构影响土壤肥力,但是相关知识主要来自于对成熟土壤的研究,关于在土壤成土初级阶段农业恢复措施如何影响新成土土壤结构的报道很少。本研究假设耕作措施和有机物还田能加速初始成土过程及土壤结构形成,从而导致不同处理土壤孔隙结构性质产生差异。利用中国科学院海伦农业生态实验站设立的8年黑土母质成土过程模拟试验,应用μCT技术,辅以BET氮气吸附法和压力膜仪法定量孔隙结构性质,本研究将从:1)土壤有机质和团聚体稳定性;2)孔隙分布变化;3)孔隙不同定量方法的差异;三方面揭示不同农业恢复措施对新成土壤结构性质的改变。田间处理包括不耕作的自然恢复(NatF)、种植牧草(Alfa)和相同耕作体系结合不同化肥(F)与有机质(C)改良的土壤处理F0C0、F1C0、F1C1、F1C2;并设母质(PM)和成熟黑土(MO)2个对照。主要结果如下:(1)经过8年田间试验,各试验处理土壤理化性质、有机质含量、团聚体稳定性都得到改善,仅F1C1和F1C2处理的阳离子交换量减小;各试验处理土壤与成熟黑土仍有较大差距或差异。与不耕作处理相比,耕作降低土壤容重、团聚体稳定性;秸秆覆盖还田、翻耕还田,增加土壤有机质含量、土壤总氮含量,降低土壤容重,提高团聚体稳定性。黑土母质成土初级阶段的团聚体稳定机制与成熟黑土的不同,新成土在成土初期主要以年轻有机质为胶结物质,而成熟黑土以腐殖化程度高的有机质为胶结物质。(2)不同农业恢复措施对土壤团聚体吸附孔隙有影响,主要表现在各试验处理土壤比表面积、总孔容、2~50 nm、2 nm孔隙减少;有机质的增加,减小土壤比表面积和2 nm孔隙度。对土壤团聚体(3-5 mm)内部微形态的影响,主要体现在各试验处理土壤团聚体内部变得疏松多孔,三维孔隙结构连通性、复杂度提高。各试验处理土壤在二维和三维结构下已经比较接近黑土。耕作使小孔隙增加,在三维结构上表现更复杂,有机质使小孔隙减少,三维结构简化。对CT图像分析获得的土壤团聚体(3-5 mm)孔隙结构性质的影响,主要表现在各试验处理土壤总孔隙度、30μm孔隙度、孔隙数量增加,耕作施肥措施增加100μm的孔隙度和孔隙连通性,有机质降低孔隙的连续性,简化孔隙结构。(3)不同农业恢复措施对原状土(50 mm直径环刀,下同)孔隙结构的影响,表现在对于以水分特征曲线获得的孔隙,不耕作处理间比较,有机质增加原状土大于150μm和0.2~1μm的孔隙,减小30~150μm和小于0.2μm的孔隙;不耕作处理与耕作无有机质还田处理比较,耕作减少30~150μm孔隙,增加0.2-30μm孔隙。耕作处理间比较,有机质还田使原状土30~150μm孔隙增多,0.2~30μm孔隙减少。对土壤原状土内部微形态的影响,主要体现在与不耕作土壤比,耕作原状土内部变得疏松多孔,土块变小,次级团聚体增多,使大孔隙减少,次级孔隙增多,分布变均匀;由于环刀原状土孔隙非常多,三维可视化差异不显著。对CT图像分析获得的原状土孔隙结构性质的影响,主要表现在相同耕作体系下施化肥使土壤板结,形成大裂缝(5000μm),减少了次级大孔隙(500~5000μm);有机质还田增加总孔隙度、500~5000μm孔隙,减少5000μm孔隙。耕作结合有机质还田降低土壤孔隙连续性,增加孔隙连通性,使孔隙弯曲度减小,孔隙结构简单化。(4)结合不同分辨率CT扫描和图像分析技术对不同尺度土壤孔隙的评价,可以作为一种方法来评价土壤大孔隙系统。环刀原状土孔隙比团聚体孔隙通道更长,体积更大;而团聚体孔隙通道比环刀原状土孔隙通道要弯曲,形态复杂。耕作条件下有机质增加均降低土壤孔隙连续性,增加原状土孔隙连通性;耕作施肥措施增加团聚体孔隙连通性。
【学位授予单位】:中国农业科学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S152

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