玉米秸秆碳在东北旱田土壤中的转化与固定

【摘要】：土壤有机碳是土壤有机质的重要组成部分,影响着土壤团聚体的形成与稳定。土壤活性有机碳是土壤有机质的活性组分,对土壤营养元素的生物化学过程、土壤微生物的代谢过程以及土壤有机质分解等过程有重要影响。玉米秸秆碳是东北旱田土壤主要外源有机碳之一,对旱田土壤有机碳的补充和地力维持起着重要作用。然而东北旱田土壤及其团聚体有机碳如何变化,玉米秸秆碳的添加如何影响了东北旱田土壤新/老有机碳的转化与固定等问题尚不明晰。因此,本试验以东北三省四个长期定位试验站(辽宁沈阳农业大学(棕壤)、吉林公主岭(黑土)、黑龙江哈尔滨(黑土)和海伦(黑土))为研究平台,试图利用13C标记的玉米秸秆碳结合砂滤管法来示踪秸秆碳腐解过程中(1年)土壤新/老有机碳组分(总有机碳、微生物量碳、水溶性有机碳和颗粒有机碳)在不同肥力东北旱田土壤的转化和固定,并以棕壤为例,着重研究地膜覆盖条件下棕壤及其不同水稳性团聚体有机碳及其组分(总有机碳和微生物量碳)新/老有机碳的转化及固定,为更好地、准确地深化对农田土壤有机碳循环的理解、探究农田土壤有机碳周转过程和土壤肥力固持机理提供科学依据。主要研究结果如下：(1)0-60天是秸秆碳腐解的关键时期,也是其对土壤有机碳组分(总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和颗粒有机碳)或团聚体有机碳组分(总有机碳和微生物量碳)扰动最为活跃的时期。(2)从北(黑土)至南(棕壤),秸秆碳对总有机碳的贡献基本呈增加趋势,且对低肥土壤总有机碳的贡献高于高肥土壤,而秸秆碳的残留基本呈下降趋势。在秸秆碳腐解的影响下,从北(黑土)至南(棕壤)老有机碳的残留呈降低趋势,并且耕作土壤老有机碳残留均明显高于母质,且低肥土壤高于高肥土壤。老有机碳含量的变化说明60天后有秸秆碳并入老有机碳从而补偿了前期的老有机碳损失。此外,秸秆碳的添加也增加了覆膜与不覆膜高低肥棕壤(全土)总有机碳的含量和储量,且不覆膜棕壤(全土)高于覆膜,高肥棕壤高于低肥棕壤高于母质。而老有机碳的残留表现为高肥棕壤高于低肥棕壤高于母质,且覆膜棕壤略高于不覆膜棕壤,表明耕作棕壤相对母质提升了对老有机碳的保护,相对于不覆膜,覆膜秸秆碳的腐解对老有机碳的损失起到了补偿作用。(3)水溶性有机碳在试验期内波动较为剧烈,基本呈现先增高再降低的趋势。从北(黑土)至南(棕壤)在低肥和高肥土壤中总体均呈现黑土增加要多于棕壤的增加。其中,对于高肥土壤来说0-180天是秸秆碳转化为水溶性有机碳的关键时期。添加秸秆后的水溶性有机碳δ13C的结果反映虽然0-60天秸秆13C的并入引起了水溶性有机碳δ13C的升高,但升高的幅度很小(秸秆碳对水溶性有机碳的贡献较少),说明标记秸秆13C并入水溶性有机碳相对较少,且周转较快(60-180天δ13C值下降较快,且接近自然丰度)。此外,添加秸秆碳也明显增加了覆膜与不覆膜高低肥处理棕壤(全土)水溶性有机碳含量。其δ13C的结果仍反映秸秆13C在水溶性有机碳的并入较弱。从老水溶性有机碳含量的变化看,不覆膜土壤比覆膜土壤增加趋势相对较大,其中试验期末不覆膜低肥水溶性有机碳含量的增加要高于高肥,而覆膜则成相反趋势。(4)秸秆碳的添加增加了微生物量碳的含量,对棕壤的影响主要发生在前期(60天前),对黑土的影响主要在后期(180天后),且在试验期内呈现较为剧烈的波动,呈现出高肥高于低肥,覆膜高于不覆膜,说明高肥和覆膜提高了土壤微生物的活性。其δ13C的结果反映秸秆13C并入微生物量碳显著高于水溶性有机碳,说明标记秸秆13C更倾向于并入微生物量碳。覆膜棕壤中老微生物量碳含量除母质呈现先增加后减少的趋势外,高低肥土壤均呈总体增加趋势,且覆膜更提高了低肥土壤秸秆碳并入老微生物量碳的能力,而母质由于养分和结构的差异对老微生物量碳的保护能力较弱。(5)颗粒有机碳在试验期内的波动相对缓和,且秸秆碳的添加也表现为增加了不同处理(不同土壤、不同肥力、不同覆膜)颗粒有机碳含量。其中低肥土壤秸秆碳的贡献要高于高肥土壤,而高肥土壤类型间呈现秸秆碳对棕壤的贡献高于黑土,并且不覆膜棕壤要高于覆膜棕壤,表明不覆膜和低肥将促进有机碳向颗粒有机碳组分的转移。δ13C的结果反映秸秆13C并入颗粒有机碳也较为显著,说明标记秸秆13C也倾向于并入颗粒有机碳,且周转基本仍呈现0-60天快速增加,60-180较快速下降,180天以后变化平缓的趋势。其中秸秆碳的添加总体上增加并固持了老颗粒有机碳,成为土壤肥力固持和提升的基础。(6)秸秆13C的转移在土壤有机碳组分周转中是有次序的(或各有机碳组分对13C存在选择性固定和转移),即腐解进入土壤中的秸秆13C更容易在微生物量碳和颗粒有机碳组分中固化和转移,而在水溶性有机碳中主要以12C周转为主。此外,在微生物量碳13C和颗粒有机碳13C之间,覆膜将有助于推动秸秆13C向颗粒有机碳固定方向进行,而秸秆12C向微生物量碳方向进行,从而增加了12C潜在矿化的可能。(7)水稳性团聚体的形成与耕作土壤肥力高低相关。随着耕作土壤耕性和肥力的提高,大团聚体内部开始分化又形成微团聚体(如低肥土壤)；随着农田管理措施(如施肥或覆膜等)的长期介入,微团聚体将再次团聚成大团聚体并促进水、肥、气、热的转移,土壤肥力将提高(如高肥或覆膜高肥土壤)。(8)秸秆碳的添加降低了母质水稳性团聚体的稳定性而增加了高、低肥耕作土壤的稳定性。覆膜土壤团聚体稳定性整体低于不覆膜土壤,低肥土壤低于高肥土壤。高低肥土壤团聚体稳定性均呈现0-60天增加而后降低的趋势,表明肥力的高低与覆膜与否影响了秸秆腐解产物和土壤颗粒的胶结能力,并且团聚化作用随秸秆的进一步腐解而降低。(9)秸秆碳的添加增加了覆膜与不覆膜高低肥棕壤水稳性团聚体总有机碳的浓度、储量和δ13C值。其中团聚体有机碳浓度和13C主要在≥2mm、1-0.25mm和0.25-0.053mm级别富集较高,而储量仍主要富集在大团聚体中。耕作土壤和高肥力土壤更促进了秸秆碳的分解使得其并入团聚体中的秸秆碳量减少,而覆膜将加速秸秆碳的腐解从而减少其对总有机碳的贡献比。(10)秸秆碳的添加增加了水稳性团聚体微生物量碳浓度。覆膜和高肥力土壤提高了秸秆碳在微团聚体中的扰动,增强了微生物量13C在微团聚体中的转移能力。随肥力增高不覆膜呈现团聚体微生物量碳由大团聚体向微团聚体转移再转移到大团聚体的规律,而覆膜呈现1-0.053mm富集趋势(0-180天)。 【关键词】：稳定碳同位素 玉米秸秆碳 水稳性团聚体 土壤有机碳组分 旱田土壤 地膜覆盖
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S141
【目录】：

• 摘要11-14
• Abstract14-19
• 第一章 前言19-37
• 1.1 研究背景19
• 1.2 国内外研究进展19-33
• 1.2.1 农田长期定位试验研究19-21
• 1.2.2 农田土壤地膜覆盖栽培研究21-22
• 1.2.3 农田土壤有机物料腐解研究22-24
• 1.2.4 农田土壤有机碳组分研究24-26
• 1.2.5 农田土壤团聚体有机碳研究26-29
• 1.2.6 稳定碳同位素技术在农田土壤有机碳周转中的应用29-33
• 1.3 研究问题的提出33
• 1.4 本研究目的与意义33-34
• 1.5 本研究内容和创新点34-37
• 1.5.1 本研究内容34-35
• 1.5.2 本研究创新点35-37
• 第二章 材料与方法37-49
• 2.1 试验地概况37-39
• 2.2 供试材料39-41
• 2.3 试验设计41-42
• 2.4 技术路线42
• 2.5 试验方法42-44
• 2.6 计算公式44-47
• 2.7 统计分析47-49
• 第三章 玉米秸秆碳的腐解对不同肥力东北旱田土壤有机碳转化与固定的影响49-81
• 3.1 玉米秸秆碳的腐解对不同肥力东北旱田土壤总有机碳的影响49-60
• 3.1.1 总有机碳含量与δ~(13)C值的变化49-52
• 3.1.2 秸秆碳和老有机碳对总有机碳贡献的变化52-53
• 3.1.3 总有机碳、玉米秸秆碳和老有机碳残留率的变化53-57
• 3.1.4 老有机碳固定的变化57-59
• 3.1.5 土壤有机碳的周转情况59-60
• 3.2 玉米秸秆碳的腐解对不同肥力东北旱田土壤水溶性有机碳的影响60-65
• 3.2.1 水溶性有机碳含量与δ~(13)C值的变化60-63
• 3.2.2 玉米秸秆碳和老有机碳对水溶性有机碳贡献的变化63-64
• 3.2.3 水溶性有机碳的变化与周转情况64-65
• 3.3 玉米秸秆碳的腐解对不同肥力东北旱田土壤微生物量碳的影响65-71
• 3.3.1 微生物量碳含量与δ~(13)C值的变化65-68
• 3.3.2 玉米秸秆碳和老有机碳对微生物量碳贡献的变化68-69
• 3.3.3 微生物量碳的变化与周转情况69-71
• 3.4 玉米秸秆碳的腐解对不同肥力东北旱田土壤颗粒有机碳的影响71-76
• 3.4.1 颗粒有机碳含量与δ~(13)C值的变化71-73
• 3.4.2 秸秆碳和老有机碳对颗粒有机碳贡献的变化73-74
• 3.4.3 颗粒有机碳的变化与周转情况74-76
• 3.5 玉米秸秆碳腐解过程中不同肥力东北旱田土壤有机碳组分之间及其δ~(13)C组成之间的关系76-77
• 3.6 小结与讨论77-81
• 第四章 玉米秸秆碳的腐解对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤有机碳转移与固定的影响81-109
• 4.1 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤总有机碳的影响81-90
• 4.1.1 总有机碳含量与δ~(13)C值的变化81-83
• 4.1.2 秸秆碳和老有机碳对总有机碳贡献的变化83-84
• 4.1.3 总有机碳、玉米秸秆碳和老有机碳残留率的变化84-87
• 4.1.4 老有机碳的固定87-89
• 4.1.5 土壤有机碳的周转情况89-90
• 4.2 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤水溶性有机碳的影响90-95
• 4.2.1 水溶性有机碳含量与δ~(13)C值的变化90-92
• 4.2.2 秸秆碳和老有机碳对水溶性有机碳贡献的变化92-93
• 4.2.3 水溶性有机碳变化与周转情况93-95
• 4.3 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤微生物量碳的影响95-99
• 4.3.1 微生物量碳含量与δ~(13)C值的变化95-97
• 4.3.2 秸秆碳和老有机碳对微生物量碳贡献的变化97-98
• 4.3.3 微生物量碳变化与周转情况98-99
• 4.4 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤颗粒有机碳的影响99-104
• 4.4.1 颗粒有机碳含量与δ~(13)C值的变化99-101
• 4.4.2 秸秆碳和老有机碳对颗粒有机碳贡献的变化101-102
• 4.4.3 颗粒有机碳变化与周转情况102-104
• 4.5 地膜覆盖条件下不同肥力棕壤有机碳组分之间及其δ~(13)C组成之间的关系104-105
• 4.6 小结与讨论105-109
• 第五章 玉米秸秆碳的腐解对地膜覆盖条件下棕壤不同水稳性团聚体中有机碳转移与固定的影响109-133
• 5.1 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤不同水稳性团聚体稳定性的影响109-113
• 5.1.1 各级水稳性团聚体百分含量变化109-111
• 5.1.2 各级水稳性团聚体平均重量直径变化111-113
• 5.2 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤不同水稳性团聚体总有机碳的影响113-121
• 5.2.1 各级水稳性团聚体总有机碳浓度与δ~(13)C值的变化113-116
• 5.2.2 各级水稳性团聚体秸秆碳和老有机碳对总有机碳贡献的变化116-118
• 5.2.3 各级水稳性团聚体老有机碳的固定118-120
• 5.2.4 各级水稳性团聚体老有机碳的周转情况120-121
• 5.3 对地膜覆盖条件下不同肥力棕壤不同水稳性团聚体微生物量碳的影响121-128
• 5.3.1 各级水稳性团聚体微生物量碳浓度与δ~(13)C值的变化121-124
• 5.3.2 各级水稳性团聚体秸秆碳和老有机碳对微生物量碳贡献的变化124-126
• 5.3.3 各级水稳性团聚体微生物量碳变化与周转情况126-128
• 5.4 各级水稳性团聚体微生物量碳与总有机碳浓度之间以及δ~(13)C组成之间的关系128-130
• 5.5 小结与讨论130-133
• 第六章 结论与展望133-137
• 6.1 结论133-135
• 6.2 展望135-137
• 参考文献137-145
• 致谢145-147
• 攻读博士学位论文期间发表文章147

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