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土壤—水稻体系施用有机肥的主要生态效应研究

林森  
【摘要】:化学氮肥利用率偏低、畜禽养殖废弃物养分资源浪费严重是我国农业生产当前面临的难题。本研究以促进有机肥养分循环和提高化肥氮利用率为目标,采用新型固体沉淀剂优化磷酸铵镁(MAP)法研究了对养猪场废水中氮、磷和有机物质同步回收的技术;通过双季稻田间试验和三季微区15N示踪试验研究了有机无机肥配施对土壤有效氮变化动态和水稻对化肥氮利用率的影响;通过长期定位试验探讨了有机无机肥料配施及长期施用有机肥影响土壤有机物质转化过程的生物化学机制和对土壤生态环境质量的影响;采用溶液培养试验结合聚类分析方法研究了水稻受高浓度铜毒害的临界浓度和对铜耐性的分级分类,取得了以下主要研究结果:1.以MAP法为基础,添加新型固体沉淀剂,并结合适宜的反应物质配比,能有效地同步回收猪场养殖废水中的氮、磷和有机物质。在供试废水条件下,适宜的反应材料摩尔比为固体沉淀剂:MgC12:Na2HPO4:NH4+ = 0.6:0.6:0.6:1。总氮、总磷和有机物的回收率分别为91.8%、99.6%和81.6%,实现了废水中氮、磷和有机物的同步回收。同步回收物的N、P205、有机质含量分别为7.85%、25.05%和23.10%,符合有机无机复混肥国家标准的总养分含量要求且土柱淋溶的N释放量和比例显著小于等氮量商品有机肥,是一种具有缓释性能的新型有机无机氮磷复混肥。等氮条件下室内模拟试验结果表明,与单施尿素相比较,同步回收物肥料与尿素配施处理能显著降低土壤氨挥发速率和累积氨挥发量;等养分条件下温室盆栽试验结果表明,回收物肥料配施化肥能显著提高黑麦草地上部生物量、氮磷钾吸收量和化学氮、磷肥料表观利用率。2.双季稻田间试验条件下,早晚稻大部分生长时期等氮量和减氮量有机无机肥配施处理土壤水溶性铵态氮、硝态氮和总氮含量与习惯施肥处理差异不显著。在早稻分蘖盛期和晚稻生长期间等氮量和减氮量有机无机肥配施处理土壤中交换态铵氮含量与习惯施肥差异不显著。早晚稻生长期间等氮量有机无机肥配施处理土壤碱解氮(Ah-N)含量与习惯施肥处理(FP)差异不显著,习惯施肥处理土壤Ah-N含量显著高于不施肥对照(CK)土壤。在早晚稻大部分生长期,等氮量有机无机肥配施处理土壤MBC、MBN和脲酶和蔗糖酶活性与习惯施肥处理差异不显著。试验结果表明在等氮条件下,有机无机肥配施能够保证土壤有效氮供应、维持土壤生物学活性,有机肥部分替代化肥在生产上是可行的。3.双季稻田间试验条件下,习惯施肥和等氮量及减氮量的有机无机肥配施处理水稻产量显著高于其余处理。等养分条件下用20%有机氮代替尿素氮,能够保持水稻产量,同时提高化肥氮利用率。CM(-N)处理化肥氮表观利用率显著高于FP和CM(N)处理,晚稻产量相比FP显著降低。从年际来看,CM(N)和CM(-N)水稻籽粒产量与习惯施肥处理差异不显著,CM(N)和CM(-N)处理化肥氮表观利用率比FP分别高出6.1%和10%,差异达到显著水平。试验结果表明用20%的有机氮替代化肥氮不仅能保持水稻产量,同时可以显著提高化肥氮利用率,籽粒更加饱满,有利于改善品质。4.田间双微区15N示踪试验结果表明,等养分施用量条件下,有机无机肥配施处理早晚稻地上部生物量高于习惯施肥处理,籽粒产量无显著差异。等氮量和减氮量有机无机肥配施处理早稻化肥氮回收率分别为37.1%和37.9%,显著高于习惯施肥处理(32.6%);晚稻化肥氮回收率分别为36.8%和36.2%,显著高于习惯施肥处理(29.6%);两季水稻的化肥氮回收率分别为37.6%和37.7%,显著高于习惯施肥处理(31.5%)。有机无机肥配施显著提高化肥氮回收率,并显著降低了化肥氮损失率。等氮量和减氮量有机无机肥配施处理后续晚稻对早稻季残留化肥氮的回收率分别为10.5%和11.3%,显著高于习惯施肥处理(8.9%);次年早稻对前一年早晚稻两季残留化肥氮的回收率分别为7.9%和11.2%,显著高于习惯施肥处理(6.1%)。有机无机肥配施能显著提高早稻、晚稻对当季化肥氮和土壤中残留化肥氮的吸收利用率。5.长期不同施肥处理田间定位试验(30年)结果表明,在等养分投入的条件下,有机无机肥配施处理土壤中有效磷和有机碳含量显著高于单施化肥处理。增施有机肥(NPKM2)能显著提高土壤全氮(TN)、全磷(TP)和SOC含量,以及Ah-N、有效磷(Olsen-P)和速效钾含量。等养分条件下,有机无机肥配施(NPKM1)处理土壤微生物量碳(MBC)、土壤基础呼吸(SBR)及累积碳矿化量(Cmin)高于单施化肥处理(NPK)。NPKM1处理土壤蛋白酶(Pro)、β-葡萄糖苷酶(βG)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP)酶活性及NPKM2处理土壤脲酶(Ure)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性均显著高于不施有机肥的处理。化学计量学 lnβG:ln(NAG+LAP):lnPro:lnUre:lnAP 比例在 1:0.94:1.04:0.67:1.01 至1:0.98:1.10:0.78:1.25之间,说明在不同的营养条件下,土壤中有机物质矿化和C、N、P的释放基本同步。在土壤蛋白质、氨基酸、碳水化合物和磷脂水解的化学计量学分析中应该把脲酶和蛋白酶考虑其中,在水稻种植中有机无机肥配施是更为合理的施肥方式。6.长期不同有机肥用量田间定位试验(9年)结果表明,长期高量施用有机肥(4800 kg/ha)显著提高了 土壤养分含量和酸性土壤的pH值。长期施用猪粪有机肥增加土壤中有机质积累,促进了磷酸酶的活性,加速有机磷的矿化。土壤酶活性及微生物量与土壤基本理化性质显著相关,土壤Ure、Pro、βG、NAG、LAP活性、MBC和Cmin与SOC之间呈显著正相关,有机肥的施用显著提高土壤酶活性、微生物量碳含量和累积碳矿化量,显著增强土壤基础呼吸速率,从而改善土壤生物活性。有机肥的施用显著提高了土壤Cu、Zn总含量及易迁移态含量和比例,土壤中各形态Cu、Zn浓度与SOC呈极显著指数型或直线型正相关,长期大量施用猪粪有机肥具有引起土壤Cu、Zn污染的风险。7.在营养液培养条件下,水稻幼苗铜毒害的临界浓度介于9000μgCu/L~1200μgCu/L之间。营养液中1000μgCu/L可以作为筛选耐性品种的处理浓度。植株相对生物量、叶片SPAD值、根系长度和脱氢酶活性、根系氧化力及地上部Cu含量作为参数的聚类分析结果表明,16个水稻品种可以分为耐受型、敏感型和普通型三类,秀水123、秀水134、嘉禾991和祥湖301为耐受型品种;秀水137为敏感型品种;其余11种水稻耐性介于两组之间,为普通耐性品种。聚类分析与临界浓度处理相结合是一种对不同水稻品种铜耐性差异进行分类判定的有效方法。


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