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农作措施对春玉米农田土壤有机碳影响机制研究

作　者: 赵海超
导　师: 刘景辉
学　校: 内蒙古农业大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 西辽河平原 土壤 有机碳 春玉米 农作措施
分类号: S513
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


针对内蒙古西辽河平原春玉米农田土壤有机碳含量下降，土壤肥力持续降低，急需系统的固碳增产农作技术体系等问题，本研究通过施肥措施、种植密度、耕作方式、深松方式和高、中、低产田增碳培肥等5个连续3年的田间定位试验，利用碳素分组方法、有机碳分组方法和溶解性有机物三维荧光光谱法等分析方法，从酶学和生物学方面运用定性与定量相结合的研究方法，系统分析了连续3年不同农作措施下土壤碳素、有机碳、有机碳组分的含量变化、1个春玉米生长期内土壤有机碳的动态变化特征，揭示土壤酶活性和春玉米生长对土壤有机碳的影响机制，阐明不同有机碳组分的肥力指示意义，探讨不同农作措施对春玉米产量和土壤有机碳的影响，结合区域特点并综合前人研究，建立指示该区域土壤肥力的有机碳组分评价指标体系及模型，确定该区域适宜的农作措施体系。研究结果如下：施肥改善了土壤营养状况，影响土壤碳素的输入和耗损的动态平衡。施肥与不施肥相比，土壤有机碳含量增加了4.71%34.84%。施用有机肥比施用无机肥使土壤碳素增加了6.24%20.08%；增施氮肥和有机肥对土壤的增碳作用显著。施肥主要使表层土壤有机碳增加，随着土壤深度的增加施肥的增碳作用减小。施磷肥提高玉米生长前期土壤有机碳含量，降低玉米生长后期土壤有机碳含量；施氮肥能够增加玉米全生育期内土壤有机碳含量。施用有机肥特别是有机无机肥配施明显增加土壤有机碳含量。随着种植密度的增加土壤中碳素含量呈先增后降的趋势，有机碳含量呈先降后增趋势，土壤无机碳含量呈上升趋势。低密度有利于犁底层土壤有机碳的累积，高密度有利于耕层土壤有机碳的累积。高密度在玉米生育前期增加表层土壤有机碳含量，生育后期增加耕层土壤有机碳含量；低密度在玉米生育前期促进犁底层有机碳的耗损。不同耕作方式与传统耕作方式相比，土壤有机碳含量增加了0.45%3.73%。免耕能够增加春玉米农田土壤有机碳含量，免耕深松能够增加耕层土壤有机碳含量，深松可以增加犁底层土壤有机碳含量。免耕深松是该区春玉米高产增碳的耕作方式。不同深松方式与传统耕作相比，土壤有机碳增加了1.04%7.21%，深松30cm土壤碳素和有机碳均增加，深松30cm比深松40cm土壤增加有机碳效果显著，秋深松比春、夏深松增加土壤有机碳效果显著。该区春玉米高产增碳的深松方式是秋季深松30cm。有机无机肥配施对高、中、低产田各层土壤中有机碳、活性有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳含量平均增加了0.16%、15.82%、48.83%、9.36%和9.32%。有机无机肥配施能够显著增加土壤活性有机碳含量，主要影响耕层土壤有机碳组分的变化。种植密度增加使土壤中活性有机碳增加，轻组有机碳减少，中等密度下促进土壤微生物量碳增加。产量与土壤不同有机碳组分线性回归方程为（产量）=-4665.61-0.0083（SOC）-0.4213（ASOC）-0.7773（LFOC）+5.3703（DOC）+33.4083（MBC）。活性有机碳和微生物量碳与土壤速效磷、速效钾、碱解氮和玉米产量呈正相关，活性有机碳和微生物量碳具有土壤肥力指示作用。施肥能够促进耕层土壤腐殖酸和富里酸的分解转化。施肥促进高、中产田土壤有机质腐熟程度，增加高产田土壤陆源溶解性有机质，中低产田的生物源溶解性有机质。施肥使土壤中溶解性有机质荧光强度和溶解性有机碳、溶解性有机磷和溶解性有机氮含量平均增加了1.08%、9.36%、-3.39%和-7.54%。土壤腐植酸荧光峰、富里酸荧光峰与土壤溶解性有机碳、溶解性有机氮和溶解性有机磷含量、土壤微生物碳、氮含量和玉米产量均呈显著正相关。土壤溶解性有机质荧光强度能够反映土壤肥力状况，荧光峰值强度越强土壤肥力越高。溶解性有机磷是该地区影响产量的主要土壤溶解性有机质组分，溶解性有机磷含量具有土壤肥力指示作用。施有机肥比无机肥的土壤微生物量碳和氮增加了44.55%和11.41%，蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性分别增加了14.39%、12.29%和12.27%，过氧化氢酶活性降低了37.71%，施氮肥能促进脲酶活性。随着种植密度的增加土壤蔗糖酶活性呈下降趋势，磷酸酶活性呈上升趋势，种植密度过高抑制脲酶活性，中等密度有利于增加土壤脲酶活性和过氧化氢酶活性。免耕比传统耕作土壤中微生物量碳和氮增加了100.00%和11.35%，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性分别增加了41.60%、47.02%和47.02%，过氧化氢酶活性降低了10.34%，深松比传统耕作土壤中微生物量碳和氮增加了94.03%和7.30%，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性增加37.29%、20.87%和21.87%，过氧化氢酶活性降低了29.31%。夏深松脲酶和磷酸酶活性较高，春深松过氧化氢酶活性较高。深松40cm比深松30cm蔗糖酶活性和过氧化氢酶增加了10.30%、50.40%，脲酶和磷酸酶活性降低了8.93%、8.38%。蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性与土壤有机碳含量及微生物碳含量呈显著正相关，过氧化氢酶活性与土壤有机碳含量及微生物碳含量呈显著负相关。土壤中有机碳、有机氮和有机磷的转化相互影响。施肥使春玉米产量增加了26.15%52.66%，施用有机肥能显著增加玉米百粒重，磷肥和有机肥配施有利于减少秃尖长度。密度过高春玉米秃尖长度增加穗行数减少从而降低了单穗重，密度过低秃尖长度减少及穗行数增加，中等密度产量最高。免耕能够通过增加百粒重增加玉米产量。深松比传统耕作春玉米产量增加了3.59%。且秋深松优于夏深松优于春深松，深松40cm比深松30cm产量增加了1.11%。土壤有机碳含量与春玉米百粒重呈显著正相关，与秃尖长度呈显著负相关。活性有机碳和微生物量碳与产量和单穗重呈显著正相关。该区春玉米高产增碳的农作技术为有机无机肥配施、中等密度、免耕深松，秋深松40cm，土壤培肥的主要指标是活性有机碳。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-18
1 绪论  18-26
  1.1 引言  18-19
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  19-24
    1.2.1 农作措施对土壤有机碳的影响  19
    1.2.2 土壤有机碳研究进展  19-20
    1.2.3 土壤有机碳组分研究进展  20-22
    1.2.4 土壤微生物酶活性对土壤有机碳影响研究进展  22-23
    1.2.5 农作物对土壤有机碳的影响  23-24
  1.3 研究目的与意义  24
  1.4 技术路线  24-25
  1.5 存在的问题  25-26
    1.5.1 有机肥施用较少，土壤有机碳含量持续下降  25
    1.5.2 化肥施用量增加，增产不增收  25
    1.5.3 土壤沙化严重，土壤肥力下降  25
    1.5.4 保护性耕作技术已初步推广，但栽培技术体系不健全  25-26
2 研究内容及研究区域概况  26-37
  2.1 研究区域概况  26-27
  2.2 试验区域概况  27-28
    2.2.1 自然条件  27
    2.2.2 社会经济条件  27-28
  2.3 研究内容  28-29
  2.4 试验设计  29-32
    2.4.1 高、中、低产田增碳培育试验设计  29-30
    2.4.2 耕作方式试验  30
    2.4.3 施肥措施试验  30-31
    2.4.4 春玉米种植密度试验  31
    2.4.5 春玉米深松方式试验  31-32
  2.5 观测指标的分析方法  32-36
    2.5.1 试验土壤样品采集  32
    2.5.2 土壤有机碳及其组分含量测定方法  32-34
    2.5.3 土壤生物学质量指标及测定方法  34-36
    2.5.4 玉米产量指标及测定方法  36
  2.6 数据统计与分析  36-37
3 不同农作措施对春玉米农田土壤有机碳的影响  37-48
  3.1 施肥措施对春玉米农田土壤有机碳的影响  37-40
    3.1.1 施肥措施对春玉米农田土壤碳素的影响  37-38
    3.1.2 施肥措施对春玉米农田土壤有机碳含量的影响  38-39
    3.1.3 施肥措施对春玉米农田不同层次土壤有机碳含量的影响  39-40
  3.2 种植密度对春玉米土壤有机碳含量的影响  40-42
    3.2.1 种植密度对春玉米土壤碳素含量的影响  40-41
    3.2.2 种植密度对春玉米土壤有机碳含量的影响  41-42
  3.3 耕作方式对春玉米土壤有机碳含量的影响  42-44
    3.3.1 耕作方式对春玉米土壤碳素含量的影响  42-43
    3.3.2 耕作方式对春玉米土壤有机碳含量的影响  43-44
  3.4 深松方式对春玉米土壤有机碳含量的影响  44-46
    3.4.1 深松方式对春玉米土壤碳素含量的影响  44-45
    3.4.2 深松方式对春玉米土壤有机碳含量的影响  45-46
  3.5 小结  46-48
4 农作措施对土壤有机碳动态变化的影响  48-60
  4.1 施肥措施对土壤有机碳动态变化的影响  48-53
    4.1.1 施肥措施对表层土壤有机碳动态变化的影响  48-49
    4.1.2 施肥措施对耕层土壤有机碳动态变化的影响  49-51
    4.1.3 施肥措施对犁底层土壤有机碳动态变化的影响  51-53
  4.2 种植密度对土壤有机碳动态变化的影响  53-56
    4.2.1 种植密度对表层土壤有机碳含量动态变化的影响  53
    4.2.2 种植密度对耕层土壤有机碳含量动态变化的影响  53-54
    4.2.3 种植密度对犁底层土壤有机碳含量动态变化的影响  54-56
  4.3 耕作方式对土壤有机碳动态变化的影响  56-59
    4.3.1 耕作方式对表层土壤有机碳含量动态变化的影响  56-57
    4.3.2 耕作方式对耕层土壤有机碳含量动态变化的影响  57
    4.3.3 耕作方式对犁底层土壤有机碳含量动态变化的影响  57-59
  4.4 小结  59-60
5 农作措施对春玉米农田土壤有机碳组分的影响  60-72
  5.1 施肥对春玉米高、中、低产田土壤有机碳组分的影响  60-66
    5.1.1 施肥对高、中、低产田不同层土壤总有机碳的影响  60-61
    5.1.2 施肥对高、中、低产田不同层次土壤 ASOC 的影响  61-62
    5.1.3 施肥对高、中、低产田不同层次土壤 LFOC 的影响  62-63
    5.1.4 施肥对高、中、低产田不同层次土壤 DOC 的影响  63-64
    5.1.5 施肥对高、中、低产田不同层次土壤 MBC 的影响  64
    5.1.6 施肥对不同产田土壤有机碳的影响差异分析  64-66
  5.2 种植密度对土壤有机碳组分的影响  66-70
    5.2.1 种植密度对土壤总有机碳及其活性的影响  66-67
    5.2.2 种植密度对土壤轻组有机碳的影响  67-68
    5.2.3 种植密度对土壤微生物碳、氮的影响  68-69
    5.2.4 土壤有机碳组分影响因素分析  69-70
  5.3 小结  70-72
6 施肥对不同质地土壤溶解性有机碳、氮、磷的影响  72-87
  6.1 施肥对土壤溶解性有机质的影响  73-80
    6.1.1 不同质地土壤中荧光特征  73-75
    6.1.2 施肥对不同质地土壤中荧光特征的影响  75-78
    6.1.3 土壤溶解性有机物荧光光谱特征的影响因素分析  78-79
    6.1.4 土壤 DOM 肥力及产量效应分析  79-80
  6.2 施肥对春玉米高、中、低产田土壤不同形态溶解性有机质的影响  80-86
    6.2.1 施肥对高、中、低产田土壤 DOM 的影响  80-81
    6.2.2 施肥对不同产田土壤 DOC 含量的影响  81-82
    6.2.3 施肥对不同产田土壤 DOP 含量的影响  82-83
    6.2.4 施肥对不同产田土壤 DON 含量的影响  83-84
    6.2.5 施肥对高、中、低产田土壤 DOM 来源的影响  84-85
    6.2.6 施肥对高、中、低产田土壤 DOM 含量的影响  85-86
    6.2.7 土壤中 DOM 组分的产量效应分析  86
  6.3 小结  86-87
7 农作措施对春玉米农田土壤微生物及酶活性的影响  87-103
  7.1 施肥措施对春玉米农田土壤微生物量与酶活性的影响  87-91
    7.1.1 施肥措施对春玉米农田土壤微生物量的影响  87-88
    7.1.2 施肥措施对春玉米农田土壤蔗糖酶活性的影响  88-89
    7.1.3 施肥措施对春玉米农田土壤脲酶活性的影响  89-90
    7.1.4 施肥措施对春玉米农田土壤过氧化氢酶活性的影响  90
    7.1.5 施肥措施对春玉米农田土壤磷酸酶活性的影响  90-91
  7.2 种植密度对春玉米农田土壤酶活性的影响  91-94
    7.2.1 种植密度对春玉米农田土壤蔗糖酶活性的影响  91-92
    7.2.2 种植密度对春玉米农田土壤脲酶活性的影响  92
    7.2.3 种植密度对春玉米农田土壤过氧化氢酶活性的影响  92-93
    7.2.4 种植密度对春玉米农田土壤磷酸酶活性的影响  93-94
  7.3 耕作方式对春玉米农田土壤微生物量与酶活性的影响  94-97
    7.3.1 耕作方式对春玉米农田土壤微生物量碳氮的影响  94
    7.3.2 耕作方式对春玉米农田土壤蔗糖酶活性的影响  94-95
    7.3.3 耕作方式对春玉米农田土壤脲酶活性的影响  95-96
    7.3.4 耕作方式对春玉米农田土壤过氧化氢酶活性的影响  96
    7.3.5 耕作方式对春玉米农田土壤磷酸酶活性的影响  96-97
  7.4 深松方式对春玉米农田土壤微生物量与酶活性的影响  97-101
    7.4.1 深松方式对春玉米农田土壤微生物碳氮的影响  97-98
    7.4.2 深松方式对春玉米农田土壤蔗糖酶活性的影响  98-99
    7.4.3 深松方式对春玉米农田土壤脲酶活性的影响  99
    7.4.4 深松方式对春玉米农田土壤过氧化氢酶活性的影响  99-100
    7.4.5 深松方式对春玉米农田土壤磷酸酶活性的影响  100-101
  7.5 土壤中不同酶与微生物量与有机碳含量的相互关系分析  101-102
  7.6 小结  102-103
8 农作措施下土壤有机碳对春玉米产量的影响效应  103-109
  8.1 施肥措施对春玉米产量的影响  103-104
  8.2 种植密度对春玉米产量的影响  104-105
  8.3 耕作方式对春玉米产量的影响  105
  8.4 深松方式对春玉米产量的影响  105-106
  8.5 施肥对高、中、低产田产量的影响  106-108
  8.6 小结  108-109
9 结论与讨论  109-116
  9.1 讨论  109-112
    9.1.1 农作措施对土壤有机碳的影响  109
    9.1.2 农作措施对土壤有机碳动态变化的影响  109-110
    9.1.3 农作措施对土壤有机碳组分的影响  110-111
    9.1.4 农作措施对土壤有机碳的影响机制  111-112
  9.2 结论  112-115
    9.2.1 不同农作措施土壤有机碳含量变化  112
    9.2.2 不同农作措施土壤有机碳含量动态变化特征  112
    9.2.3 不同农作措施土壤有机碳组分含量变化  112-113
    9.2.4 施肥对土壤溶解性有机质的影响  113-114
    9.2.5 农作措施对土壤微生物和酶活性的影响及其有机碳效应  114
    9.2.6 农作措施对春玉米产量及其有机碳效应的影响  114-115
  9.3 本研究的主要特色及创新点  115-116
致谢  116-118
参考文献  118-133
作者简介  133

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