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秸秆还田和免耕对土壤有机碳特性及水稳性团聚体的影响

阿里凯(KASHIF ALI KUBAR)  
【摘要】:了解土壤中不同形态的碳,有机碳的分子特征以及对农作物系统中水稳性团聚体的贡献,对于维持农业生态系统的土壤质量和环境可持续性至关重要。秸秆还田,施肥和免耕等保护管理措施可显著改变土壤中有机碳(SOC)的含量、活性以及土壤中的水稳性团聚体,但这些耕作措施对稻-油轮作系统中土壤有机碳的含量以及质量的综合影响研究相对较少。本文选取了湖北省武穴市、荆州市、以及武汉市3个稻-油轮作长期定位试验点,每个试验点各有4种处理。其中武穴试验点的4种处理分别为传统耕作(CT)、传统耕作+秸秆还田(CTS)、免耕(NT)以及免耕+秸秆还田(NTS)。荆州试验点的4种处理分别为传统耕作(CT),传统耕作+钾肥(CTK),传统耕作+秸秆还田(CTS),传统耕作+钾肥+秸秆还田(CTKS)。武汉试验点的4种处理分别为传统耕作(CT)、传统耕作+NPK肥(CTNPK),传统耕作+秸秆还田(CTS),传统耕作+秸秆还田+NPK肥(CTSNPK)。每个试验点探讨了秸秆还田对土壤有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)、微生物有机碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)、溶解有机碳(DOC)、土壤碳管理指数(SCMI)以及水稳性团聚体(5,5-2,2-1,1-0.5,0.25-0.5,and0.25 mm)的影响,采用 CPMAS 13C 核磁共振(NMR)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)的方法,研究了水稳性团聚体(WSA)的稳定性和土壤有机质的化学性质。相对于CT处理,秸秆还田显著增加了三个试验点0-20cm 土层中有机质的含量,碳管理指数以及C分数,其中武穴试验点增加了 6%-50%,荆州试验点增加了7%-35%,武汉试验点增加了 4%-25%。然而在20-40cm 土层,相对于其他处理,CT处理增加了土壤SOC(增加了 5%-19%)和DOC(增加了 3%-10%)含量。显著性分析表明,SOC与大部分SOC的组分(包括DOC,EOC,MBC和POC)之间呈显著正相关。此外,总SOC和SCMI之间也呈显著正相关。在4种碳组分当中,秸秆还田处理对POC和MBC的影响最显著。核磁共振(NMR)的结果表明,在CT和CTS处理下,武穴试验点主要为芳香C(42.65%-45.54%),其次为O-烷基C(22.92%-34.33%)。然而荆州试验点在CT和CTS处理下主要为芳香C(33.01%-43.58%),其次为O-烷基C(17.50%-36.75%)和羰基C(20.44-42.52%)。红外光谱(FTIR)的结果表明,在稻-油轮作系统中,CTS处理改善了芳香族、羧基、脂肪族和NH(酰胺Ⅱ)的组成。CTS处理下每个试验点的烷基C和O-烷基C的比例都有所增加,而芳香族C和芳香性指数在不同试验点之间有一定差异,其中武穴试验点的芳香指数有一定程度升高,而荆州试验点由于CT处理下羰基C的增加而使得芳香指数有一定程度降低。NMR数据显示,水稻轮作体系下SOM的化学稳定性明显优于FTIR光谱的数据。相对于CT处理,秸秆还田处理增加了 0-20cm 土层水稳性团聚体中5 mm的团聚体含量(增加了40%-78%),其它粒级的变化没有5mm的显著。在0-20 cm土层,秸秆还田和免耕处理不仅促进了大团聚体的形成,同时也增加了团聚体的稳定性(MWD和GMD指数均增加),并降低了土壤团聚体的分形维数(FD)。在所有确定的团聚体中,5mm的SOC含量最高,其次是2-5mm以及0.25mm的。CT处理下0-20cm 土层中土壤碳含量分别为8.52-18.30 g·kg-1(武穴)和10.00-15.20g·kg-1(荆州),而秸秆还田处理下的碳含量分别为9.35-19.50g·kg-1(武穴)和11.25-16.60·kg-1(荆州)。相对于土壤小团聚体,土壤大团聚体中的SOC含量更高。SOC与C分数、SCMI和C分数之间存在显著正相关性。土壤有机碳与烷基C,芳香C,烷基-O-烷基比和芳香指数之间有显著关系性。O-烷基C与C分数、芳香族C和羰基C呈正相关,表明O-烷基C可能是SOC、MBC、DOC和POC的主要C组分。SOC与5mm,2-5mm,1-2mm的团聚体之间呈显著正相关,与0.5-1、0.25-0.5和小于0.25的团聚体呈显著负相关。相关性分析表明,扫描电镜C的含量与5,2-5,1-2,0.5-0.25,0.25mm 的团聚体之间有显著相关性(r2=-0.96**to 0.93**)。相对于0.25-0.5mm,5mm以及1-2mm之中的SOC含量与扫描电镜的C含量相关性更高。O-烷基C与1-2和5mm水稳性团聚体之间相关性最好(r2=1.0**)。同样,1-2mm以及5mm团聚体之中的SOC含量与O-烷基C的相关性最好。本研究表明,农业管理措施对POC的影响最显著,在稻-油轮作系统中,O-烷基C可以作为一种反应耕作措施和秸秆还田处理对SOC质量影响的分子指标。秸秆还田处理显著增加了大团聚体的形成以及稳定性,同时也增加了大团聚体中有机碳的含量,表明可以通过物理保护措施来增强土壤有机碳的固定。本研究还表明,有机碳的化学质量在土壤中起着重要作用,本文为阐述稻-油轮作系统中有机碳的化学结构,量化C的微观形态,以及阐明秸秆还田处理下土壤有机碳的化学性质与不稳定部分之间的关系提供了重要依据。这些结果从提高有机碳结构和团聚体稳定性的角度,为秸秆还田对中部土壤有机碳固存的正效应提供了新的证据。


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