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西北旱地残留氮的作物利用及覆盖土壤有机氮研究

王西娜  
【摘要】: 西北旱地降雨少而不均,施入土壤的氮肥,部分被当季作物吸收利用外,相当数量残留于土壤剖面。残留氮素或以NH_3、N_2O形式进入大气,或以NO_3~-形式进入地下地表水,成为生态环境最大的威胁之一。另一方面,土壤残留肥料氮又是土壤氮库的有效补偿,对维持土地生产力有重要意义。土壤残留氮是氮素管理中不可忽视的组分,减少残留氮素损失,使其最大限度被后季作物利用是旱地农业可持续发展亟待解决的问题。 地表覆草和地表覆膜栽培是干旱半干旱地区普遍采用的两种栽培模式,在提高旱地粮食产量方面发挥了巨大作用。研究覆草和覆膜对土壤肥力的影响是维持土地生产力和旱地农业可持续发展的重要方面。有机质含量高低是土壤肥力水平高低的重要标志,轻质有机质是土壤有机质的“活性”组分,由半分解的植物残体、真菌的菌丝和孢子、种子、动物残体、微生物残骸以及一些吸附在碎屑上的矿质颗粒组成;其碳、氮含量高,周转速度快,是植物养分的主要来源;对农业措施引起土壤有机质的变化非常敏感。轻质有机质中所含的氮素称为轻质有机氮,与土壤氮素矿化有密切关系,具有表征土壤氮素肥力的天赋特征。 本研究通过黄土高原南部的两个田间长期定位试验,以冬小麦、夏玉米为供试作物,设置不同的氮素投入水平、栽培模式,研究了土壤残留肥料氮的动向及后季作物的利用。并以常规栽培模式为对照,研究了连续5年地表覆草和覆膜栽培对土壤有机碳、氮、轻质有机碳、氮和矿质态氮的影响,分析了肥料氮、覆盖秸秆氮向土壤有机氮和轻质有机氮的转化,以期为优化旱地作物栽培与养分管理,提高土壤肥力和作物高产高效生产提供理论依据。取得的主要结论有: 1.旱地土壤残留的矿质氮以硝态氮为主,且随施氮量提高而迅速增加。在小麦/玉米的第1个轮作周期,0-300cm土壤剖面的矿质氮残留量高达449kg hm~(-2),硝态氮占93.2%。随着种植年份增加,硝态氮能逐渐被降水淋移至300cm以下。土壤中铵态氮累积量与降水和土壤水分有密切关系:降水多的夏季,土壤水分充足,铵态氮的硝化反应可很快进行,累积量就少;反之,累积量多。 2.旱地土壤残留矿质氮可促进后季冬小麦和夏玉米秸秆生物量、籽粒产量及其对土壤氮、磷、钾的吸收,其中对作物生物量和氮素吸收量的影响较为明显,影响效果至少可以持续到第4个轮作周期。但是,氮肥后效的发挥具有年际变化。 3. 15N同位素标记研究表明,连续4个冬小麦夏玉米轮作周期,作物对肥料氮的总利用率为50%左右;而在第1个周期,小麦和玉米对肥料氮的利用率就分别达到32.3%和9.3%;后3年两者仅利用10%。土壤残留率为15.0-19.9 %;损失率达29.7-38.1%,且大部分在施肥当年的夏玉米生长季节损失。 4.冬小麦生长季节,地表覆草使表层土壤有机氮趋于增加,覆膜却使有机碳、氮趋于减少。覆草栽培时,0-40cm土壤有机氮累积量在越冬期最高,之后逐渐减少;覆草土壤有机氮累积量明显高于常规,差值从播种时的36 kg hm~(-2)增加到收获期的153 kg hm~(-2);有机碳累积量从播种到返青期逐渐增加,且高于常规,两者在越冬期差异最大,达5525 kg hm~(-2);返青之后有机碳逐渐减少,开花期和收获期明显比常规低4507和2760 kg hm~(-2)。覆膜栽培时,土壤有机氮在返青后迅速减少,其中越冬期和收获期比常规低185和106 kg hm~(-2);土壤有机碳从播种到开花期逐渐增加,开花之后开始下降,其在开花期和收获期分别比常规栽培的低5203、2704 kg hm~(-2)。 5.覆草栽培,大量轻质有机质的存在提高了土壤对氮素供应的调控作用。从小麦播种到返青,轻质有机碳、氮均逐渐降低,返青到收获又逐渐增加。覆草栽培土壤的轻质有机碳、氮始终比常规高,平均差值分别为359和20 kg hm~(-2),覆膜则平均比常规低219和8 kg hm~(-2)。说明在气温较低的冬季轻质有机氮矿化为作物生长提供氮素养分,随着气温的升高,土壤中新鲜有机物料开始分解形成轻质有机质,并将土壤中的一些氮素暂时固定起来。 6.覆草和覆膜栽培可以有效保持0-40cm土层的水分,使越冬期土壤水分比常规栽培高6mm和9mm,而硝态氮累积量却分别比常规降低90.6和132.6 kg hm~(-2),铵态氮分别降低16.3和13.8 kg hm~(-2)。说明地表覆草和覆膜改善了小麦越冬期土壤的水分状况,促进了作物对氮素的吸收。土壤矿质态氮动态变化与轻质有机氮密切相关。特别在不施氮肥时,土壤中矿质态氮数量与轻质有机碳,轻质有机氮之间有显著的正相关性。说明土壤氮素缺乏时,轻质有机质在土壤氮素供应中具有重要作用。 7.地表覆草和覆膜时,施氮肥使土壤有机碳累积量降低,有机氮累积量变化较小甚至增加,结果导致有机碳/氮比值降低。高量施氮时,覆草使土壤轻质有机氮明显增加而轻质有机碳不变;覆膜使土壤轻质有机氮无变化而轻质有机碳随施氮量增加明显降低,结果轻质有机碳/氮比值均降低。说明高量施氮促进了覆草土壤轻质有机氮的累积,而使覆膜土壤轻质有机质分解。 8.夏季休闲,0-5cm表层土壤轻质有机质及其碳、氮累积量均增加,5-40cm土壤的则减少。说明冬小麦收获期残留在土壤表面的新鲜有机物料物(茎叶,根茬等)在高温多雨的夏季逐渐降解,形成不同分解阶段的轻质有机质,而原来的轻质有机质则分解矿化出其中的氮素。由轻质有机氮矿化出来的矿质态氮会被夏季降水淋溶到下层土壤。 9.冬小麦收获期,0-40cm土层有机质和轻质有机质固定的肥料氮均以覆草栽培最高,覆膜最低;夏季休闲后,土壤有机质和轻质有机质中的肥料氮均减少;覆草和覆膜栽培在休闲期矿化出的肥料氮均来自轻质有机质,而常规栽培有机氮的减少有46.9%归功于轻质有机氮的矿化。覆盖秸秆中的氮素有10.2%进入植物地上部,64.2%残留在0-40cm土壤有机质中,23.7%被轻质有机质固定;夏季休闲过程中,表层土壤有机质和轻质有机质中的秸秆氮均增加,而下层土壤中的均减少。说明小麦收获期土壤表面未分解的秸秆在休闲期分解形成了新的轻质有机质,而原来的轻质有机质则分解。


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