连续秸秆还田对土壤结构性、养分和有机碳组分的影响

【摘要】：秸秆还田和免耕作为有效的保护性耕作技术,正在越来越受到世界各国广泛的关注。它们一方面能够充分利用秸秆资源,避免秸秆焚烧造成污染,另一方面减低成本,提高农业生产效率。在水旱轮作农田下开展秸秆还田和免耕技术研究,有助于我国农业可持续发展。本文在湖北省武穴市和荆州市水旱轮作(水稻-油菜)的长期定位试验基础上,通过连续两年分析土壤物理性质(容重、总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度)和化学性质(p H值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾),研究秸秆还田和免耕下农田土壤结构和养分的动态变化特征;运用干筛-湿筛法分离不同粒径土壤水稳性团聚体,探讨秸秆还田和免耕对农田土壤水稳性团聚体稳定性的影响;通过提取分析土壤团聚体腐殖酸组分(腐殖酸,胡敏酸和富里酸),研究秸秆还田后表层土壤团聚体腐殖酸组分含碳量的变化以及腐殖酸和胡敏酸分子结构的变化。结果表明:(1)在武穴市和荆州市,秸秆还田均能够降低表层(0~20 cm)土壤容重(分别降低7.91%和1.34%),增加表层土壤总孔隙度,通气孔隙度和毛管孔隙度,并增强土壤保持水分的能力。在武穴市,免耕处理会增大容重(增加3.74%),降低表层土壤各孔隙度;秸秆还田结合免耕也会降低表层土壤容重(降低3.07%),增加各孔隙度。旱作条件(油菜收获后)下表层土壤容重高于水作条件(水稻收获后),而旱作条件下表层土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度要低于水作条件。不同水旱轮作时期,秸秆还田和免耕对表层土壤孔性的影响效果存在差异。(2)秸秆还田和免耕处理均会影响土壤各级团聚体的分布状况。不同粒径水稳性团聚体含量的分布呈现为:0.25 mm团聚体含量最高,在50%左右;其次为5 mm和0.25~0.5 mm,分别占20%和15%;而2~5、1~2以及0.5~1.0 mm粒径团聚体百分含量差异不大,约为5%。同时秸秆还田和免耕均会增加农田表层(0~20 cm)土壤0.25mm团聚体百分含量、平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD),但是会降低土壤分形维数(PSD)。其中PSD与0.25 mm团聚体百分含量呈现极显著负相关性(相关系数R分别为,武穴处理:-0.997;荆州处理:-0.993),但是MWD、GMD与0.25 mm团聚体百分含量存在显著正相关性。这表明秸秆还田和免耕都会增强土壤大团聚体的含量,对于改善土壤结构具有积极影响。(3)在武穴市,秸秆还田处理能够提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量(分别提高8.92%、6.75%、8.10%和69.79%),免耕也能够提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量(分别提高9.84%、5.47%、4.66%和13.51%),秸秆还田结合免耕提升效果最佳(分别提高11.00%、10.24%、8.11%和75.73%)。在荆州市,秸秆还田处理能够提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量(分别提高13.80%、6.66%、10.71%、15.09%和29.68%)。总体上,秸秆还田处理后表层土壤中有机质和各养分提升幅度要高于免耕处理。但是秸秆还田和免耕处理对于20~40 cm土层土壤有机质和养分影响不明显。0~20 cm土层土壤中有机质和各养分含量均显著高于20~40 cm土层。0~20 cm土层土壤中p H值均显著低于20~40 cm土层,而且免耕和秸秆还田处理对于土壤p H值影响较小。不同地区不同水旱轮作时期,秸秆还田和免耕对土壤有机质和养分的影响效果存在一定差异。(4)秸秆还田对于提高土壤碳库管理指数具有积极影响,但是水旱轮作的不同条件下,秸秆还田对于土壤碳库管理指数的影响存在差异。在油菜旱作条件下,相对于对照,秸秆还田处理有助于上下两层(0~20、20~40cm)土壤总有机碳(SOC)、活性有机碳(ROC)和碳库管理指数的提高。但是在水稻水作条件下,秸秆还田显著增加上下两层土壤总有机碳,却显著降低上下土层土壤活性有机碳和碳库管理指数。(5)在对照处理中,随着土壤粒径减小,总有机碳和各腐殖酸组分腐殖酸(HE)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)有机碳含量呈下降趋势。秸秆还田对于不同粒径团聚体的影响效果存在差异。其中秸秆还田更加有利于表层(0~20 cm)土壤及大团聚体(0.25 mm)总有机碳和胡敏酸含碳量以及胡富比的提高。(6)红外分析表明,在对照处理下,0.053 mm粒级中的HE和HA,3400/1620值较小,芳香性/脂族性比值较大,结构较复杂,而5 mm粒级的3400/1620值较大,芳香性/脂族性比值较小,结构较简单。与对照处理相比,秸秆还田处理后会导致土壤团聚体中HE和HA3400/1620值减小,芳香性增强,脂族性下降,结构复杂。 【关键词】：秸秆还田 免耕 土壤养分 结构 团聚体 有机碳
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S141.4
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 1 前言12-22
• 1.1 秸秆还田和免耕条件下土壤孔性和结构的变化13-15
• 1.1.1 秸秆还田条件下土壤孔性和结构的变化13-14
• 1.1.2 免耕条件下土壤孔性和结构的变化14-15
• 1.1.3 其他因素对土壤孔性和结构的影响15
• 1.2 秸秆还田和免耕对土壤养分的影响15-16
• 1.3 秸秆还田条件下土壤碳组分及其分子结构的变化16-19
• 1.3.1 秸秆还田对土壤碳组分的影响16-17
• 1.3.2 秸秆还田条件下土壤团聚体中腐殖酸组分含碳量的变化17-18
• 1.3.3 秸秆还田条件下土壤团聚体腐殖酸组分分子结构的变化18-19
• 1.4 秸秆还田和免耕对于作物产量的影响19
• 1.5 研究目的19-21
• 1.6 技术路线21-22
• 2 材料和方法22-26
• 2.1 长期定位试验点概况22
• 2.2 试验设计22-23
• 2.3 土壤样品采集和测定23-26
• 2.3.1 基本理化性质的测定23-24
• 2.3.2 水稳性团聚体的提取和测定24-25
• 2.3.3 水稳性团聚体中腐殖酸组分的提取及含碳量测定25-26
• 2.3.4 水稳性团聚体中腐殖酸组分的红外测定与半定量分析26
• 2.4 数据分析26
• 3 结果与分析26-63
• 3.1 秸秆还田和免耕条件下土壤结构性变化26-34
• 3.1.1 秸秆还田和免耕对土壤容重和孔隙度的影响26-29
• 3.1.2 秸秆还田和免耕条件下土壤团聚体分布状况29-31
• 3.1.3 秸秆还田和免耕条件下土壤团聚体稳定性变化31-34
• 3.1.3.1 秸秆还田和免耕对土壤平均重量直径的影响31-33
• 3.1.3.2 秸秆还田和免耕对土壤平均几何直径的影响33
• 3.1.3.3 秸秆还田和免耕对土壤分形维数的影响33-34
• 3.2 秸秆还田和免耕条件下土壤pH值和有机质以及养分变化34-42
• 3.2.1 秸秆还田和免耕对土壤pH值和有机质的影响34-37
• 3.2.2 秸秆还田和免耕对土壤养分的影响37-42
• 3.3 秸秆还田条件下土壤团聚体中碳变化42-61
• 3.3.1 秸秆还田对土壤碳的影响42-44
• 3.3.2 秸秆还田对团聚体总有机碳的影响44-46
• 3.3.3 秸秆还田对团聚体腐殖酸组分含碳量的影响46-50
• 3.3.4 秸秆还田对团聚体腐殖酸组分分子结构的影响50-61
• 3.4 秸秆还田和免耕对作物产量影响61-63
• 4 讨论63-66
• 4.1 免耕对于土壤容重的影响63
• 4.2 秸秆还田和免耕对土壤水稳性团聚体的影响63-64
• 4.3 秸秆还田和免耕对土壤养分和结构的综合影响64-66
• 5 结论66-68
• 参考文献68-77
• 附录77-78
• 致谢78

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