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华北平原长期耕作及秸秆管理方式下土壤碳/氮动态及碳组分、土壤养分的分布特征

作　者: Shadrack Batsile Dikgwatlhe
导　师: 陈阜；张海林
学　校: 中国农业大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 耕作方式秸秆管理土壤理化性质土壤有机碳/氮储量土壤碳组分 C:N比层化率
分类号: S153.6
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

农田土壤有机碳和氮素固定是缓解气候变化的重要措施,因此,影响土壤有机碳及氮素等养分平衡的土壤管理方式在全球范围内受到了极大关注。轮作及频繁的耕作可改变秸秆的数量及质量,进而改变土壤养分动态最终影响肥力状况及土壤质量。本研究通过长期定位试验,旨在分析评价不同耕作方式及秸秆还田处理对华北平原麦玉两熟区土壤特性的影响,主要测定指标包括：土壤养分(P、K、Mg、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Cu、Zn)、pH、容重和孔隙度的分布情况,以及土壤有机碳和氮的含量、储量等。试验始于2001年冬小麦季播种前,共设4个处理：翻耕秸秆不还田(PTO)、翻耕秸秆还田(PT)、旋耕秸秆还田(RT)和免耕秸秆还田(NT)。(1)与PTO、PT目比,NT和RT表层(0-10cm)土壤的有机碳、氮含量较高。各处理,土壤有机碳含量随着土层的加深而下降。相对于PT, NT和RT土壤有机碳、氮含量随土层加深而减少的趋势更为显著(P<0.05)。与PT相比,NT减少了对土壤的机械扰动,较RT和PT显著提高了土壤容重(P<0.05)；从另一方面来讲,NT处理下的土壤孔隙度最低,PT和PTO较NT显著增加了土壤的孔隙度。(2)土壤有机碳组分含量随土层的加深呈不断下降的趋势,受耕作时间变化的影响较为显著。与PT和PTO相比,NT和RT提高了0-10cm土层的有机碳组分；但处理10cm以下土层的有机碳组分含量则显著下降(P<0.05)。此外,NT处理>10cm土层的有机碳组分(除轻组有机碳和非颗粒有机碳外)呈现明显的层化现象。与轻组有机碳不同,土壤颗粒有机碳和易氧化有机碳含量与轻组有机碳与耕作方式的改变密切相关。(3)NT提高了0-5cm土层的营养元素含量,主要表现现为：所有供试年份的p含量提高,2009年的Mn含量提高和2007,2009年N含量提高。RT显著提高了各年份0-10cm的Zn含量及5-10cm土层的N含量(P<0.05)。各耕作方式下,土壤Ca和Na的含量随着土层的增加不断增大,但是,N、P、K、Mn、Zn和Cu的含量均呈现下降的趋势,而Mg和Fe含量则无明显的变化规律。(4)NT和RT处理的土壤有机碳储量初始值显著低于PT(P<0.05),然而,2012年则表现出相反的趋势。与2001年相比,2012年PTO、PT、RT和NT处理下0-30cm有机碳固定速率分别为10.60、13.95、13.65和14.92Mg ha-1。各年份,0-30和0-50cm土层厚度的N储量均表现为：NT>RT>PT>PTO。0-30cm土层,NT和PT处理含有较高的有机碳储量,而N储量则以NT和RT处理较高。(5)NT处理的土壤有机碳及多数年份的氮层化率显著高于其他处理,而PT处理下的C：N显著高于RT和NT(P<0.05)。各指标之间相关关系从某方面可以揭示不同耕作方式对土壤性状影响的机理。如,土壤N、P、K和Zn的含量与有机碳及碳组分含量呈显著相关,而其他养分则无明显的变化规律,而土壤容重与所测定指标(土壤有机碳、碳组分及养分含量)均呈负相关关系。因此,为提高华北平原土壤质量,在选择耕作方式的时候,需要综合考虑作物产量、养分利用、肥料管理等,确保土壤肥力和作物产量的提高。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-14
CHAPTER 1 Introduction  14-30
  1.1 Introduction and background  14-16
  1.2 Motivation and problem statement  16-17
  1.3 Literature review  17-19
  1.4 Overview of soil tillage management and soil carbon  19-26
  1.5 Soil tillage effects on other soil properties related to SOC  26-29
  1.6 Main objectives  29-30
CHAPTER 2 Materials and methods  30-35
  2.1 Site description  30
  2.2 Experimental design  30-31
  2.3 Soil sampling  31
  2.4 Soil analysis  31-34
  2.5 Statistical analysis  34-35
CHAPTER 3 Effects of tillage systems and residue management on selected soil physical andchemical properties  35-50
  3.1 Introduction  35
  3.2 Effects of different tillage systems ad residue management on soil chemical properties  35-41
  3.3 Effects of different tillage systems ad residue management on soil physical properties  41-46
  3.4 Discussion  46-49
  3.5 Summary  49-50
CHAPTER 4 Effects of tillage and residue management on selected soil carbon fractions  50-58
  4.1 Introduction  50
  4.2 Effect of different tillage systems ad residue management on soil carbon fractions  50-55
  4.3 Discussion  55-57
  4.4 Summary  57-58
CHAPTER 5 Effects of tillage and residue management on soil organic carbon concentration, stocksand stratification  58-68
  5.1 Introduction  58
  5.2 The effects of different tillage systems and residue management on soil carbon dynamics  58-65
  5.3 Discussion  65-67
  5.4 Summary  67-68
CHAPTER 6 Effects of tillage and residue management on nitrogen concentration, stocks andstratification  68-79
  6.1 Introduction  68
  6.2 The effects of different tillage systems and residue management on nitrogen dynamics  68-77
  6.3 Discussion  77-78
  6.4 Summary  78-79
CHAPTER 7 Relationship of soil organic carbon and other soil quality parameters as affected bytillage and residue management  79-91
  7.1 Introduction  79
  7.2 Results  79-89
  7.3 Discussion  89-91
CHAPTER 8 Summary, recommendations and conclusions  91-94
References  94-110
Acknowledgement  110-111
Abridged resume  111

华北平原长期耕作及秸秆管理方式下土壤碳/氮动态及碳组分、土壤养分的分布特征

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