培养条件下小麦及玉米秸秆在土壤中的腐解特性研究

【摘要】：关注土壤有机碳含量,弄清土壤有机碳的变化、固定及损失机制,寻求合理的农业管理措施以尽可能增大土壤有机碳库,已得到众多科学家的认同,并成为全世界的热点课题和学术界亟待解决的当务之急。土壤有机碳(SOC)含量决定着土壤肥力水平,养分的循环利用及土壤气体的排放,因此对土壤质量、二氧化碳排放以及食品安全都有重大影响。一方面,不合理的田间管理措施会使土壤中的碳以温室气体的形式(如CO_2)排放到大气当中,降低土壤有机碳含量,影响土壤的各种理化性状,造成土壤有机碳含量降低和温室效应的加剧;另一方面,在合理有效的田间管理措施下,农田土壤可以同时作为碳库和碳源两种形式来减少温室气体的排放。秸秆还田措施在理论上既可以有效抑制有机碳的损耗,同时也能在一定程度上控制CO_2的排放量。因此,探索合理的秸秆循环管理模式显得尤为重要。秸秆还田的过程会受到许多生物或非生物的因素影响。在关中平原地区,大量的秸秆废弃物亟需以秸秆还田方式归还至土壤中已补充土壤有机碳库,而有关以CO_2释放速率为依据的秸秆还田方面的研究却很少。本研究试图通过室内培养实验模拟大田状况,来揭示秸秆还田后土壤养分、温度、湿度等环境因子对CO_2排放和有机碳保蓄的综合影响。通过进行一系列室内培养试验,揭示秸秆还田后在土壤中腐解特性的研究。本研究取得了以下主要结果: 1.以玉米秸秆为供试材料,进行了室内模拟培养试验,在25℃的恒温条件下腐解培养53 d。试验包括N素用量(0.04、0.08、0.16、0.32 g N/kg土)和土壤湿度(土壤相对含水量分别为55%、70%、85%、100%)两个影响因素,共16个处理。研究旨在揭示不同C/N比和水分条件下玉米秸秆在土壤中的腐解特点,探索影响其腐解的外界环境条件。结果表明,(1)土壤湿度对CO_2-C释放具有显著性影响,随着土壤相对含水量的增高,CO_2-C的释放速率和累积释放量逐渐增大,相对含水量为100%时,CO_2-C累积释放量达最高值;当氮素用量为0.04、0.08、0.16 g N/kg土(即加入的氮素与秸秆碳之间的C/N比为80、40、20)时,对秸秆腐解并未产生明显影响,表明供试条件下土壤中原有氮素已能满足秸秆腐解所需氮素;而当氮素用量太高时(N4,0.32 g N/kg土,C/N比为10),CO_2-C累积释放量与其他用量相比则显著下降,下降幅度达10.6%;各处理下土壤中CO_2-C的释放速率均具有培养前期较快,培养中期逐渐变慢,培养后期最小且保持基本稳定的特点。平均来看,玉米秸秆含有的有机碳在培养期间,大约其中的38.5%以无机的CO_2-C的形式排放掉。(2)在相对含水量为85%(WH)和施N量为0.16 g N/kg(N3)土时,土壤有机碳含量达最高水平。在不同水分条件下,土壤微生物量碳含量存在显著性差异,相对含水量为100%时达最大值;施氮水平对其无显著性影响。(3)土壤微生物量氮随水分和氮素水平变化而呈现规律性变化,随相对含水量和氮素用量的增加,土壤微生物量氮表现为如下趋势:WH WV WL WM和N_3 N_4 N_2 N_1,分别在N_3﹑WH下上升到最大值,而后又有所下降。可见,N3(C/N = 20)和WH(相对含水量为85%)的组合,即N3 + WH既是较为适合玉米秸秆腐解的水氮条件,也是相对有利于土壤有机碳累积的处理组合。 2.以小麦秸秆为试材,探讨了温度、接种微生物制剂(MI)对其腐解过程中CO_2排放和土壤有机碳氮累积的影响。试验对MI设3个水平(0%、0.1%、0.3%)、温度设2个水平(15℃、20℃),6个处理,共培养75 d,秸秆腐解期间监测了CO_2释放量,培养结束后测定了土壤中不同形态的碳、氮含量。结果表明,(1)温度对秸秆腐解和养分释放的影响较大,而微生物制剂未表现出显著效果。添加小麦秸秆的土壤中CO_2排放量显著高于未添加秸秆的土壤,平均增幅达50%;较高温度(20℃)与较低温度(15℃)相比,前一种情况下土壤中CO_2排放量显著增加。(2)单纯来自秸秆有机碳的CO_2-C净累积释放量在15℃下比20℃下低37.1%,而土壤有机碳、微生物量碳净增量分别达到260%、949%,表明相对较低的温度更有利于土壤有机碳的固定。(3)15℃下土壤全氮和铵态氮含量分别比20℃下低100%和18.4%,微生物量氮高262%。在添加与不添加秸秆条件下,温度系数(Q10)分别为1.4-1.7,1.3-1.5。而且,添加秸秆时,微生物生物量和微生物C在20℃比15℃下分别增加33%和37%。 3.采用小麦秸秆和玉米秸秆2种材料,2种还田方式(覆盖及混入土壤)以及2个磷肥用量,共8个处理,进行室内培养试验,研究不同秸秆还田方式与施磷量对玉米和小麦秸秆腐解进程的影响。结果表明,两种秸秆间、施磷与不施磷间、还田方式间,CO_2累积释放量及释放速率均存在显著性差异。对于小麦秸秆,与土壤混合比表面覆盖CO_2累积释放量增加3.4%;而对于玉米秸秆,表面覆盖比与土壤混合CO_2累积释放量多7.3%。添加秸秆及施入磷肥均提高了CO_2释放量。与土壤混合比表面覆盖,秸秆C转化为CO_2-C的百分率分别为38.92%和26.22%。施磷与不施磷相比,前者使土壤有机碳、微生物量碳和微生物量氮分别降低23.33%、21.86%、12.68%,而对土壤无机氮影响甚小。 基于以上的秸秆腐解影响因素的研究结果,可以得出以下基本结论:(1)合理的水分条件和C/N比,既能加速施入土壤中秸秆的矿质化过程,也有利于增加土壤的有机C含量。(2)较低的温度有利于秸秆对土壤有机碳和微生物量碳氮的截留和保蓄,而较高的温度会加速秸秆有机碳的矿质化过程,即不利于土壤有机碳的固定;同时,微生物制剂似乎在较为优越的水热条件下难以发挥作用。(3)把秸秆混入土壤中比覆盖在表面,其腐解矿化速度会更快。秸秆腐解过程中除了应具有合适的C/N比之外,还需要一定的磷供应,即C/N/P的比例都应该合适。概括来说,无论是小麦秸秆还是玉米秸秆,在腐解期间,大约40%的秸秆有机碳会以二氧化碳的形式损失掉,其余的有望以有机碳形式,成为补充土壤碳库的碳源,并改善土壤有效碳库质量,维持土壤有机质的循环与转化,使农田生态系统中的土壤有机碳保持平衡。因此,秸秆还田并及时腐解,是补充土壤碳以及氮素等养分元素的有效途径之一,对提高和维持土壤肥力及粮食增产意义重大。 【关键词】：秸秆还田 腐解 微生物量碳 土壤有机碳 微生物制剂 CO_2释放
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S141.4
【目录】：

• ABSTRACT6-10
• 摘要10-17
• CHAPTER 1 REVIEW OF LITERATURE, SOIL ORGANIC CARBON SEQUESTRATION AND TODAY’S AGRICULTURE17-35
• 1.1 Soil organic carbon and its significance17-19
• 1.2 Straw resources and their utilization in China19-25
• 1.2.1 General situation in whole China19-22
• 1.2.2 Basic situation in Guanzhong Plain area22-25
• 1.3 Factors affecting straw decomposition25-31
• 1.3.1 Source of straw25-26
• 1.3.2 Soil placement ways of straw (surface vs incorporation)26-28
• 1.3.3 Soil microclimate; temperature and moisture28-29
• 1.3.4 Fertilization (nitrogen & phosphorus)29-30
• 1.3.5 Microbial inoculation30-31
• 1.4 Effects of straw incorporation with soil31-33
• 1.4.1 C0_2 emission and soil parameters31-32
• 1.4.2 Soil organic carbon32
• 1.4.3 Microbial biomass carbon, nitrogen and inorganic N32-33
• 1.5 Conclusions33-35
• CHAPTER 2 EMISSION OF CARBON DIOXIDE INFLUENCED BY NITROGEN AND WATER LEVELS FROM SOIL INCUBATED STRAW35-42
• 2.1 Introduction35-36
• 2.2 Material and methods36-37
• 2.2.1 Site, soil & plant sampling36
• 2.2.2 Experimental design and incubation procedure36-37
• 2.2.3 Determination methods37
• 2.2.4 Statistical analysis37
• 2.3 Results and discussion37-42
• 2.3.1 Carbon dioxide evolution37-39
• 2.3.2 Soil organic carbon accumulation39-41
• 2.3.3 Effect of soil straw mixing on MBC41-42
• CHAPTER 3 DECOMPOSITION CHARACTERISTICS OF MAIZE (Zea.mays. L) STRAW WITH DIFFERENT C N RATIOS UNDER VARIOUS MOISTURE REGIMES42-50
• 3.1 Introduction42-43
• 3.2 Materials and methods43
• 3.2.1 Soil and plant samples preparation43
• 3.2.2 Experimental design and incubation procedure43
• 3.2.3 Determination methods43
• 3.3 Results43-47
• 3.3.1 Emission rates and cumulative C0_2 production43-45
• 3.3.2 Percentage of C mineralized as organic C45
• 3.3.3 Soil organic carbon accumulation45-46
• 3.3.4 Proportion of inorganic to organic C ratio (C0_2-C / SOC)46
• 3.3.5 Soil microbial biomass nitrogen46-47
• 3.4 Discussion47-50
• 3.4.1 C0_2-C evolution rates and cumulative production47-48
• 3.4.2 Soil organic carbon and microbial biomass N accumulation48-50
• CHAPTER 4 INFLUENCE OF MICROBIAL INOCULANTS ON SOIL RESPonSE TO PROPERTIES WITH AND WITHOUT STRAW UNDER DIFFERENT TEMPERATURE REGIMES50-57
• 4.1 Introduction50
• 4.2 Material and methods50-51
• 4.2.1 Preparation of soil and straw samples50
• 4.2.2 Experimental design and incubation procedure50-51
• 4.2.3 C0_2-C determination, Soil organic carbon, Microbial biomass N,Statistical analysis51
• 4.2.4 Soil inorganic N (NH_4+-N, N0_3-N)51
• 4.3 Results51-54
• 4.3.1 Cumulative C0_2-C evolution51-52
• 4.3.2 Correlation of C0_2-C emission with incubation time52-53
• 4.3.3 S oil organic carbon53
• 4.3.4 Soil microbial biomass nitrogen53-54
• 4.3.5 Soil Inorganic N (NH_4-N, N0_3-N)54
• 4.4 Discussion54-57
• 4.4.1 Cumulative evolution C0_254-55
• 4.4.2 Effect on SOC and MBC under different temperatures55-56
• 4.4.3 Effect on soil inorganic N (NH_4+-N, N0_3--N)56-57
• CHAPTER 5 TEMPERATURE AND STRAW ADDITION EFFECTS ON CARBON MINERALIZATION IN A LOESS SOIL WITH AND WITHOUT STRAW57-66
• 5.1 Introduction57-58
• 5.2 Material and methods58
• 5.2.1 Preparation of soil and straw samples58
• 5.2.2 Experimental design and incubation procedure58
• 5.2.3 Soil organic carbon: Microbial biomass C and N (details are given in chapter 2 & 3)58
• 5.3 Results58-63
• 5.3.1 C0_2-C evolution rates58-60
• 5.3.2 Cumulative carbon dioxide60-62
• 5.3.3 Soil Organic Carbon62
• 5.3.4 Soil Microbial Biomass62-63
• 5.4 Discussion63-66
• 5.4.1 C0_2-C evolution rates and cumulative production63-64
• 5.4.2 Interactive effect of treatments and temperature C0_2 evolution64-65
• 5.4.3 Soil organic carbon and Microbial biomass carbon65-66
• CHAPTER 6 DECOMPOSITION OF WHEAT AND MAIZE STRAW INFLUENCED BY PHOSPHORUS ADDITION AND SOIL PLACEMENT66-76
• 6.1 Introduction66-67
• 6.2 Materials and methods67-68
• 6.2.1 Preparation of soil and straw samples tested67
• 6.2.2 Experimental design and Incubation procedure67
• 6.2.3 Soil organic carbon Microbial biomass C, N Soil inorganic N (NH_4+-N, NO_3~-N)67-68
• 6.3 Results68-72
• 6.3.1 C0_2 emission rates of wheat and maize straw68
• 6.3.2 Cumulative C0_2 evolution of wheat and maize straw68-69
• 6.3.2 Percent carbon mineralized69-70
• 6.3.3 Soil organic carbon70
• 6.3.4 Microbial biomass carbon70-71
• 6.3.5 Microbial biomass nitrogen71
• 6.3.6 Soil inorganic N (NH_4-N, N0_3-N)71-72
• 6.4 Discussion72-76
• 6.4.1 Effect of treatments on cumulative C0_2 & emission rates72-73
• 6.4.2 Effect on SOC, MBC,MBN and soil inorganic N73-76
• CHAPTER 7 CONCLUSION76-78
• REFERENCES78-85
• ACKNOWLEDGEMENT85-87
• about THE AUTHOR87
• PUBLICATIONS87

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