长期覆盖施肥下作物产量演变规律及土壤碳转化特征研究

作     者：王明达 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘占军

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0901[农学-作物学] 090301[农学-土壤学] 

主      题：地表覆盖 作物产量 土壤质量 碳转化 土壤团聚体 

摘      要：秸秆和地膜覆盖在干旱、半干旱区被广泛用于提高作物产量,但二者增产效应的比较性研究及其不同降雨区适应性缺乏系统研究,同时秸秆和地膜覆盖下土壤碳转化特征及其转化机制仍不完善。因此,本研究以文献数据统计探究秸秆和地膜覆盖下作物产量响应特征;基于2003年开始长期覆盖施肥定位试验[撂荒(Fallow);平作无覆盖(CT);平作+秸秆覆盖(SM);垄上覆膜+沟内覆秸秆(RF)],采用土体水平和团聚体尺度相结合,通过碳分布、碳转化相关酶活性及功能基因分析,阐明土壤碳转化特征及其生物学机制。主要研究结果如下:(1)与不覆盖(CK)相比,地膜覆盖(PM)显著提高玉米单作、小麦单作以及小麦-玉米轮作体系作物产量,秸秆覆盖(SM)表现趋势相同,但玉米单作体系二者产量差异不显著;与SM相比,PM显著提高玉米单作和小麦单作体系作物产量,而小麦-玉米轮作体系下二者差异不显著。PM与SM产量比(R)表现为单作玉米(1.28)单作小麦(1.11)轮作玉米(1.05)≈轮作小麦(1.04)。生育期降雨量(MSP)对R的调节作用大于整年降雨量(MAP)。MSP分别超过576 mm(单作玉米)、500 mm(轮作玉米)时,R分别稳定在1.082和1.001;MSP分别超过530 mm(单作小麦)、395 mm(轮作小麦)时,R小于1。当覆盖年限超过10.3年(单作玉米)、14.6年(轮作玉米)和16.7年(轮作小麦)时,R小于1;覆盖年限超过3.7年(单作小麦)R稳定在1.075。与CK和PM相比,SM提高土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、速效钾(AK)和微生物生物量碳(MBC)有效性,在单作制度中,覆盖模式间土壤质量指数(SQI)为SMPM≈CK;轮作制度中SQI表现为SMPMCK。MSP、播种期土壤水分(SWC)、SOC和TN是调节R的重要气候和物理化学变量,而与种植制度无关。(2)与CT相比,RF和SM显著提高SWC、SOC、MBC、腐殖酸和富里酸、β-葡萄糖苷酶、纤维素二糖苷酶和过氧化物酶活性,而显著降低土壤容重。与RF相比,SM显著提高土壤有机碳、胡敏素、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素二糖苷酶和过氧化物酶活性,分别提高16.4%、12.8%、48.8%、156.9%、195.1%和22.1%;与Fallow相比,CT显著降低p H,但提高了微生物生物量碳、腐殖质组分的含量和α-葡萄糖苷酶的活性。(3)与CT相比,RF土壤大团聚体比例显著提高7.6%,平均重量直径提高5.9%。覆盖增加大团聚体(0.25mm)、微团聚体(0.053-0.25mm)和大团聚体内微团聚体的有机碳含量,分别提高10.2%─17.5%、11.4%─17.5%和10.2%─38.1%,且SM的效果大于RF。SOC随着团聚体粒径的增加而提高。与Fallow相比,CT土壤大团聚体比例显著提高9.6%,平均重量直径提高9.0%,大团聚体中的有机碳增加19.5%。覆盖显著提高大团聚体中纤维素二糖苷酶的活性。碳转化相关水解酶在粉粘粒(0.053mm)中活性最高,氧化酶在微团聚体(0.053-0.25mm)中活性最高。与覆盖措施相比,团聚体粒径效应对土壤有机碳、微生物生物量碳和胞外酶的影响更大。综上可知,长期秸秆覆盖比地膜覆盖有更好的农学效益;团聚体对土壤碳周转的影响比覆盖措施更明显;今后应加强秸秆覆盖下团聚体尺度碳转化特征研究。