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长期施肥下水稻土土壤性质变化及其与生产力的关系研究

作　者: 刘艳丽
导　师: 胡锋；张斌
学　校: 南京农业大学
专　业: 生态学
关键词: 定位实验 水稻 肥料利用率 粘土矿物 干湿交替 有机质矿化
分类号: S158
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


化肥和有机肥肥料的长期施用，不仅影响水稻产量及其变化趋势，而且可能导致土壤性质发生变化。施肥引起的土壤性质的变化及其对土壤养分供应和土壤生产力的影响报道较少。本研究利用25年的长期施肥定位试验，研究目标有：1)研究施肥土壤性质变化及其对土壤养分保持能力的影响；2)研究干湿交替对水稻土土壤有机质微生物矿化过程的影响；3)分析长期施用化肥条件下稻田生产力变化及影响因素。本长期试验处理包括氮、磷、钾肥料的不同组合（N、P、K、NP、NK、PK），复合氮磷钾的两个水平（NPK、2NPK）以及复合氮磷钾加有机肥（NPKOM）和无肥对照（CK）。主要研究结果如下：1)土壤性质变化及其对养分吸附的影响：与试前相比，除N处理外，其它处理土壤有机碳含量均有不同程度的增加。其中NPKOM处理最高，其次是NK，2NPK和NP处，其它处理最低。不同处理土壤全量氮、磷、钾含量均有增加，其中有机无机肥处理增加的幅度最大。与CK处理相比，除NPK处理外的其他处理，土壤微生物生物量碳、氮含量显著提高。其中NPKOM处理最高，比CK处理增加46％。土壤微生物生物量碳的含量与土壤呼吸强度呈显著的正相关关系（R=0.929*）。与试前相比，各施肥处理的土壤粘粒含量降低3.5％-4.5％，不同处理间没有明显的差异，含量范围是19.3％-20.5％。钾肥和有机肥的长期施用提高了土壤团聚体稳定性（MWD），其他处理影响较小。不施肥处理土壤蛭石-绿泥石含量增加，混层型矿物含量降低，高岭石和伊利石含量没有明显的变化。和不施肥处理相比，施氮肥和钾肥处理伊利石含量有明显的增加，高岭石和混层型矿物含量有明显的降低；伊利石含量与土壤中交换性K含量有显著的正相关关系，水稻产量与细粘粒中伊利石含量有显著的负相关关系，由此说明细粘粒伊利石中钾素养分的有效性比粗粘粒强。不同施肥处理粘土矿物变化导致铵离子吸附量特征变化，根据铵离子吸附量的大小划分等级为NPKOM>NPK>NP、CK>N、P、K>NK；土壤有机碳提高了土壤对铵离子的吸附能力，铵离子浓度较高时(200-300 mgL-1)有机碳的影响作用下降，土壤粘土矿物的影响加强；土壤中结晶差的伊利石含量与铵离子的吸附最大量M有明显的正相关关系（P=0.012）；土壤中交换性钾的含量与铵离子的吸附最大量M有明显的正相关关系（P=0.007）；土壤有机碳含量和CEC与铵离子的吸附最大量M没有显著的相关关系。2)干湿交替对土壤有机质微生物矿化过程的影响。室内培养实验结果表明，与连续湿润状态（CW）相比较，干燥过程导致土壤呼吸速率增加78％-204％，干燥土壤重新湿润后呼吸速率再提高74％-95％，而NPK处理的有机氮矿化速度提高21％，但在干燥期间下降了34％-78％。CK和NPKOM处理有机氮矿化量在再湿润时分别下降了5％和13％。土壤呼吸速率与微生物活性和转化有关，并且取决于土壤有机碳的水平。较慢的干燥速度刺激了土壤微生物的生长和活性，快速湿润在短时间内对微生物生长产生胁迫，但很快导致应急反应，促进微生物生物量增加和活性加强。由于微生物的生长，土壤中无机氮库变小。淹水条件下仅在NPKOM处理中发现土壤pH值与土壤微生物生物量碳之间有显著的负相关关系。干燥过程对土壤pH值的影响在不同施肥处理间没有明显的差异，随土壤pH值的升高土壤微生物生物量碳有增加的趋势。3)产量效应和肥料利用率变化：根据平均产量，早稻不同施肥处理可分为四个等级：2NPK、NPKOM>NPK>NP、NK>CK、N、P、K、PK；晚稻的施肥处理可分为2NPK、NPKOM>NPK>NP、NK>N、P、PK、K、CK。施肥对早稻产量有累计影响，但对晚稻没有累计影响：仅施用氮肥造成持续减产，且幅度不断增加；不施用P或钾肥造成累计减产趋势。不论早稻还是晚稻NPK处理中肥料的农艺利用率和表观利用率均是最大的，其次是NP、NK处理，单施氮肥处理在所有处理中是最小的。氮肥与钾肥的农艺利用率均为1.12 kg稻谷kg-1 N或K，磷肥的农艺利用率为10-30kg稻谷kg-1 P。钾肥肥料表观利用率最高为24％-71％，其次是磷肥为19％-52％，氮肥最低为5％-36％。对早稻而言，所有含氮肥处理中氮肥农艺利用率随时间呈降低趋势；N处理中氮素表观利用率随时间呈降低趋势，其它处理的趋势却与之相反。对于晚稻而言，所有处理中氮素表观利用率均随时间降低。早稻的磷肥利用率随时间有增加趋势，但是晚稻的则呈降低趋势。早稻与晚稻的钾肥利用率变化趋势均不显著。本文主要结论：长期不均衡施用化肥显著改变了土壤粘土矿物组成和其它土壤性质，影响肥稻谷产量和肥料的累积效应；钾肥的施用提高了伊利石的结晶程度和含量，伊利石含量的增加促进了土壤对铵离子的吸附能力；不使用有机肥导致土壤抗穿透阻力提高，成为影响水稻产量的关键因子。稻田传统的长期淹水管理转变为淹水-落干交替进行管理，不仅在落干过程中提高了土壤的呼吸速率，而且干燥后淹水土壤的呼吸速率也得到加强。本研究表明长期施用化肥和有机肥导致的土壤性质变化影响土壤养分转化和稻田生产力，但是影响过程和机制尚需要深入研究。

全文目录


中文摘要  7-9
英文摘要  9-12
引言  12-13
1 文献综述  13-32
  1.1 施肥对土壤肥力的影响  13-24
    1.1.1 施肥对土壤物理性质和粘土矿物组成的影响  13-17
    1.1.2 施肥对土壤化学性质的影响  17-21
    1.1.3 施肥对土壤生物学性质的影响  21-23
    1.1.4 施肥土壤性质变化对铵离子吸附性能的影响  23-24
  1.2 干湿交替对水稻土土壤肥力的影响  24-29
    1.2.1 干湿交替对土壤物理性质的影响  24-25
    1.2.2 干湿交替对土壤化学性质的影响  25-27
    1.2.3 干湿交替对土壤生物学性质的影响  27-29
  1.3 施肥对土壤生产力的影响  29
  1.4 施肥对肥料利用率的影响  29-31
  1.5 研究问题提出  31-32
2 材料与方法  32-41
  2.1 试验地概括  32-33
  2.2 样品的准备  33
  2.3 技术路线  33-34
  2.4 实验方法  34-37
    2.4.1 土壤理化性质测定方法  34
    2.4.2 土壤生物学性质测定  34-35
    2.4.3 土壤粘土矿物类型与含量的测定  35-36
    2.4.4 不同处理土壤铵离子吸附性能  36-37
  2.5 培养实验  37-39
  2.6 肥料利用率计算方法  39-40
  2.7 数据处理与统计  40-41
3 长期施肥下水稻土性质变化  41-51
  3.1 长期施肥下水稻土物理性质变化  41-43
    3.1.1 土壤粘粒含量  41
    3.1.2 土壤容重  41-42
    3.1.3 土壤团聚体稳定性  42-43
    3.1.4 土壤抗穿透阻力  43
  3.2 长期施肥下水稻土化学性质变化  43-45
    3.2.1 归还于土壤中有机碳量  43-44
    3.2.2 土壤有机碳含量和全量氮、磷、钾含量  44-45
  3.3 长期施肥下水稻土生物学性质变化  45-49
    3.3.1 土壤微生物生物量碳氮  45-46
    3.3.2 土壤麦角固醇-碳含量  46-47
    3.3.3 土壤呼吸强度  47-49
  3.4 讨论  49-50
  3.5 结论  50-51
4 长期施肥条件下水稻土粘土矿物组成的变化和土壤对铵离子的吸附特征  51-72
  4.1 长期施肥下水稻土粘土矿物组成变化  51-56
    4.1.1 X-射线衍射图谱 Decomp-软件分析结果  51
    4.1.2 长期施肥下水稻土粘土矿物含量变化  51-56
  4.2 土壤对铵离子的吸附特征  56-62
    4.2.1 与铵离子吸附相关的土壤基本性质  56
    4.2.2 施肥水稻土土壤对铵离子的吸附特征  56-61
    4.2.3 施肥水稻土土壤铵离子等温吸附Langmuir方程  61-62
    4.2.4 不同大小土壤团聚体对铵离子的吸附量  62
  4.3 讨论  62-71
    4.3.1 长期施肥对粘土矿物组成的影响  62-69
    4.3.2 长期施肥对土壤铵离子吸附性能的影响  69-70
    4.3.3 长期施肥土壤伊利石含量增加对土壤钾库的影响  70-71
  4.4 结论  71-72
5 干湿交替条件下施肥水稻土碳氮矿化特征与微生物活性变化  72-82
  5.1 干湿交替条件下施肥水稻土土壤水土比变化  72
  5.2 干湿交替条件下施肥水稻土土壤 Eh/pH值的变化  72-74
  5.3 干湿交替条件下施肥水稻土无机态氮含量的变化  74-75
  5.4 干湿交替条件下施肥水稻土土壤 CO_2的释放速率  75-76
  5.5 干湿交替条件下施肥水稻土土壤微生物生物量和代谢熵  76-78
  5.6 讨论  78-81
  5.7 结论  81-82
6 长期施肥对稻田生产力的影响  82-103
  6.1 长期施肥下水稻产量的变化  82-87
    6.1.1 1981-2005年产量的平均值及产量变化趋势  82-83
    6.1.2 不同施肥时间对水稻总产量的影响  83-87
  6.2 肥料的农艺利用效率和表观利用率  87-91
  6.3 讨论  91-101
    6.3.1 水稻土长期施肥的产量效应  91-92
    6.3.2 水稻土长期施肥的氮肥利用率  92-96
    6.3.3 长期施肥水稻土伊利石含量与钾肥利用率  96-97
    6.3.4 长期施化肥水稻产量变化的因素分析  97-101
  6.4 结论  101-103
7 全文结论、研究的创新点和研究展望  103-104
  7.1 全文结论  103
  7.2 研究的创新点  103
  7.3 研究展望  103-104
参考文献  104-121
致谢  121-122
攻读博士学位期间发表的论文  122

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中图分类: > 农业科学 > 农业基础科学 > 土壤学 > 土壤肥力（土壤肥沃性）
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