培養(yǎng)條件下小麥及玉米秸稈在土壤中的腐解特性研究

【摘要】：關注土壤有機碳含量,弄清土壤有機碳的變化、固定及損失機制,尋求合理的農業(yè)管理措施以盡可能增大土壤有機碳庫,已得到眾多科學家的認同,并成為全世界的熱點課題和學術界亟待解決的當務之急。土壤有機碳(SOC)含量決定著土壤肥力水平,養(yǎng)分的循環(huán)利用及土壤氣體的排放,因此對土壤質量、二氧化碳排放以及食品安全都有重大影響。一方面,不合理的田間管理措施會使土壤中的碳以溫室氣體的形式(如CO_2)排放到大氣當中,降低土壤有機碳含量,影響土壤的各種理化性狀,造成土壤有機碳含量降低和溫室效應的加劇;另一方面,在合理有效的田間管理措施下,農田土壤可以同時作為碳庫和碳源兩種形式來減少溫室氣體的排放。秸稈還田措施在理論上既可以有效抑制有機碳的損耗,同時也能在一定程度上控制CO_2的排放量。因此,探索合理的秸稈循環(huán)管理模式顯得尤為重要。秸稈還田的過程會受到許多生物或非生物的因素影響。在關中平原地區(qū),大量的秸稈廢棄物亟需以秸稈還田方式歸還至土壤中已補充土壤有機碳庫,而有關以CO_2釋放速率為依據(jù)的秸稈還田方面的研究卻很少。本研究試圖通過室內培養(yǎng)實驗模擬大田狀況,來揭示秸稈還田后土壤養(yǎng)分、溫度、濕度等環(huán)境因子對CO_2排放和有機碳保蓄的綜合影響。通過進行一系列室內培養(yǎng)試驗,揭示秸稈還田后在土壤中腐解特性的研究。本研究取得了以下主要結果: 1.以玉米秸稈為供試材料,進行了室內模擬培養(yǎng)試驗,在25℃的恒溫條件下腐解培養(yǎng)53 d。試驗包括N素用量(0.04、0.08、0.16、0.32 g N/kg土)和土壤濕度(土壤相對含水量分別為55%、70%、85%、100%)兩個影響因素,共16個處理。研究旨在揭示不同C/N比和水分條件下玉米秸稈在土壤中的腐解特點,探索影響其腐解的外界環(huán)境條件。結果表明,(1)土壤濕度對CO_2-C釋放具有顯著性影響,隨著土壤相對含水量的增高,CO_2-C的釋放速率和累積釋放量逐漸增大,相對含水量為100%時,CO_2-C累積釋放量達最高值;當?shù)赜昧繛?.04、0.08、0.16 g N/kg土(即加入的氮素與秸稈碳之間的C/N比為80、40、20)時,對秸稈腐解并未產生明顯影響,表明供試條件下土壤中原有氮素已能滿足秸稈腐解所需氮素;而當?shù)赜昧刻邥r(N4,0.32 g N/kg土,C/N比為10),CO_2-C累積釋放量與其他用量相比則顯著下降,下降幅度達10.6%;各處理下土壤中CO_2-C的釋放速率均具有培養(yǎng)前期較快,培養(yǎng)中期逐漸變慢,培養(yǎng)后期最小且保持基本穩(wěn)定的特點。平均來看,玉米秸稈含有的有機碳在培養(yǎng)期間,大約其中的38.5%以無機的CO_2-C的形式排放掉。(2)在相對含水量為85%(WH)和施N量為0.16 g N/kg(N3)土時,土壤有機碳含量達最高水平。在不同水分條件下,土壤微生物量碳含量存在顯著性差異,相對含水量為100%時達最大值;施氮水平對其無顯著性影響。(3)土壤微生物量氮隨水分和氮素水平變化而呈現(xiàn)規(guī)律性變化,隨相對含水量和氮素用量的增加,土壤微生物量氮表現(xiàn)為如下趨勢:WH WV WL WM和N_3 N_4 N_2 N_1,分別在N_3﹑WH下上升到最大值,而后又有所下降?？梢?N3(C/N = 20)和WH(相對含水量為85%)的組合,即N3 + WH既是較為適合玉米秸稈腐解的水氮條件,也是相對有利于土壤有機碳累積的處理組合。 2.以小麥秸稈為試材,探討了溫度、接種微生物制劑(MI)對其腐解過程中CO_2排放和土壤有機碳氮累積的影響。試驗對MI設3個水平(0%、0.1%、0.3%)、溫度設2個水平(15℃、20℃),6個處理,共培養(yǎng)75 d,秸稈腐解期間監(jiān)測了CO_2釋放量,培養(yǎng)結束后測定了土壤中不同形態(tài)的碳、氮含量。結果表明,(1)溫度對秸稈腐解和養(yǎng)分釋放的影響較大,而微生物制劑未表現(xiàn)出顯著效果。添加小麥秸稈的土壤中CO_2排放量顯著高于未添加秸稈的土壤,平均增幅達50%;較高溫度(20℃)與較低溫度(15℃)相比,前一種情況下土壤中CO_2排放量顯著增加。(2)單純來自秸稈有機碳的CO_2-C凈累積釋放量在15℃下比20℃下低37.1%,而土壤有機碳、微生物量碳凈增量分別達到260%、949%,表明相對較低的溫度更有利于土壤有機碳的固定。(3)15℃下土壤全氮和銨態(tài)氮含量分別比20℃下低100%和18.4%,微生物量氮高262%。在添加與不添加秸稈條件下,溫度系數(shù)(Q10)分別為1.4-1.7,1.3-1.5。而且,添加秸稈時,微生物生物量和微生物C在20℃比15℃下分別增加33%和37%。 3.采用小麥秸稈和玉米秸稈2種材料,2種還田方式(覆蓋及混入土壤)以及2個磷肥用量,共8個處理,進行室內培養(yǎng)試驗,研究不同秸稈還田方式與施磷量對玉米和小麥秸稈腐解進程的影響。結果表明,兩種秸稈間、施磷與不施磷間、還田方式間,CO_2累積釋放量及釋放速率均存在顯著性差異。對于小麥秸稈,與土壤混合比表面覆蓋CO_2累積釋放量增加3.4%;而對于玉米秸稈,表面覆蓋比與土壤混合CO_2累積釋放量多7.3%。添加秸稈及施入磷肥均提高了CO_2釋放量。與土壤混合比表面覆蓋,秸稈C轉化為CO_2-C的百分率分別為38.92%和26.22%。施磷與不施磷相比,前者使土壤有機碳、微生物量碳和微生物量氮分別降低23.33%、21.86%、12.68%,而對土壤無機氮影響甚小。 基于以上的秸稈腐解影響因素的研究結果,可以得出以下基本結論:(1)合理的水分條件和C/N比,既能加速施入土壤中秸稈的礦質化過程,也有利于增加土壤的有機C含量。(2)較低的溫度有利于秸稈對土壤有機碳和微生物量碳氮的截留和保蓄,而較高的溫度會加速秸稈有機碳的礦質化過程,即不利于土壤有機碳的固定;同時,微生物制劑似乎在較為優(yōu)越的水熱條件下難以發(fā)揮作用。(3)把秸稈混入土壤中比覆蓋在表面,其腐解礦化速度會更快。秸稈腐解過程中除了應具有合適的C/N比之外,還需要一定的磷供應,即C/N/P的比例都應該合適。概括來說,無論是小麥秸稈還是玉米秸稈,在腐解期間,大約40%的秸稈有機碳會以二氧化碳的形式損失掉,其余的有望以有機碳形式,成為補充土壤碳庫的碳源,并改善土壤有效碳庫質量,維持土壤有機質的循環(huán)與轉化,使農田生態(tài)系統(tǒng)中的土壤有機碳保持平衡。因此,秸稈還田并及時腐解,是補充土壤碳以及氮素等養(yǎng)分元素的有效途徑之一,對提高和維持土壤肥力及糧食增產意義重大。 【關鍵詞】：秸稈還田 腐解 微生物量碳 土壤有機碳 微生物制劑 CO_2釋放
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：S141.4
【目錄】：

• ABSTRACT6-10
• 摘要10-17
• CHAPTER 1 REVIEW OF LITERATURE, SOIL ORGANIC CARBON SEQUESTRATION AND TODAY’S AGRICULTURE17-35
• 1.1 Soil organic carbon and its significance17-19
• 1.2 Straw resources and their utilization in China19-25
• 1.2.1 General situation in whole China19-22
• 1.2.2 Basic situation in Guanzhong Plain area22-25
• 1.3 Factors affecting straw decomposition25-31
• 1.3.1 Source of straw25-26
• 1.3.2 Soil placement ways of straw (surface vs incorporation)26-28
• 1.3.3 Soil microclimate; temperature and moisture28-29
• 1.3.4 Fertilization (nitrogen & phosphorus)29-30
• 1.3.5 Microbial inoculation30-31
• 1.4 Effects of straw incorporation with soil31-33
• 1.4.1 C0_2 emission and soil parameters31-32
• 1.4.2 Soil organic carbon32
• 1.4.3 Microbial biomass carbon, nitrogen and inorganic N32-33
• 1.5 Conclusions33-35
• CHAPTER 2 EMISSION OF CARBON DIOXIDE INFLUENCED BY NITROGEN AND WATER LEVELS FROM SOIL INCUBATED STRAW35-42
• 2.1 Introduction35-36
• 2.2 Material and methods36-37
• 2.2.1 Site, soil & plant sampling36
• 2.2.2 Experimental design and incubation procedure36-37
• 2.2.3 Determination methods37
• 2.2.4 Statistical analysis37
• 2.3 Results and discussion37-42
• 2.3.1 Carbon dioxide evolution37-39
• 2.3.2 Soil organic carbon accumulation39-41
• 2.3.3 Effect of soil straw mixing on MBC41-42
• CHAPTER 3 DECOMPOSITION CHARACTERISTICS OF MAIZE (Zea.mays. L) STRAW WITH DIFFERENT C N RATIOS UNDER VARIOUS MOISTURE REGIMES42-50
• 3.1 Introduction42-43
• 3.2 Materials and methods43
• 3.2.1 Soil and plant samples preparation43
• 3.2.2 Experimental design and incubation procedure43
• 3.2.3 Determination methods43
• 3.3 Results43-47
• 3.3.1 Emission rates and cumulative C0_2 production43-45
• 3.3.2 Percentage of C mineralized as organic C45
• 3.3.3 Soil organic carbon accumulation45-46
• 3.3.4 Proportion of inorganic to organic C ratio (C0_2-C / SOC)46
• 3.3.5 Soil microbial biomass nitrogen46-47
• 3.4 Discussion47-50
• 3.4.1 C0_2-C evolution rates and cumulative production47-48
• 3.4.2 Soil organic carbon and microbial biomass N accumulation48-50
• CHAPTER 4 INFLUENCE OF MICROBIAL INOCULANTS ON SOIL RESPonSE TO PROPERTIES WITH AND WITHOUT STRAW UNDER DIFFERENT TEMPERATURE REGIMES50-57
• 4.1 Introduction50
• 4.2 Material and methods50-51
• 4.2.1 Preparation of soil and straw samples50
• 4.2.2 Experimental design and incubation procedure50-51
• 4.2.3 C0_2-C determination, Soil organic carbon, Microbial biomass N,Statistical analysis51
• 4.2.4 Soil inorganic N (NH_4+-N, N0_3-N)51
• 4.3 Results51-54
• 4.3.1 Cumulative C0_2-C evolution51-52
• 4.3.2 Correlation of C0_2-C emission with incubation time52-53
• 4.3.3 S oil organic carbon53
• 4.3.4 Soil microbial biomass nitrogen53-54
• 4.3.5 Soil Inorganic N (NH_4-N, N0_3-N)54
• 4.4 Discussion54-57
• 4.4.1 Cumulative evolution C0_254-55
• 4.4.2 Effect on SOC and MBC under different temperatures55-56
• 4.4.3 Effect on soil inorganic N (NH_4+-N, N0_3--N)56-57
• CHAPTER 5 TEMPERATURE AND STRAW ADDITION EFFECTS ON CARBON MINERALIZATION IN A LOESS SOIL WITH AND WITHOUT STRAW57-66
• 5.1 Introduction57-58
• 5.2 Material and methods58
• 5.2.1 Preparation of soil and straw samples58
• 5.2.2 Experimental design and incubation procedure58
• 5.2.3 Soil organic carbon: Microbial biomass C and N (details are given in chapter 2 & 3)58
• 5.3 Results58-63
• 5.3.1 C0_2-C evolution rates58-60
• 5.3.2 Cumulative carbon dioxide60-62
• 5.3.3 Soil Organic Carbon62
• 5.3.4 Soil Microbial Biomass62-63
• 5.4 Discussion63-66
• 5.4.1 C0_2-C evolution rates and cumulative production63-64
• 5.4.2 Interactive effect of treatments and temperature C0_2 evolution64-65
• 5.4.3 Soil organic carbon and Microbial biomass carbon65-66
• CHAPTER 6 DECOMPOSITION OF WHEAT AND MAIZE STRAW INFLUENCED BY PHOSPHORUS ADDITION AND SOIL PLACEMENT66-76
• 6.1 Introduction66-67
• 6.2 Materials and methods67-68
• 6.2.1 Preparation of soil and straw samples tested67
• 6.2.2 Experimental design and Incubation procedure67
• 6.2.3 Soil organic carbon Microbial biomass C, N Soil inorganic N (NH_4+-N, NO_3~-N)67-68
• 6.3 Results68-72
• 6.3.1 C0_2 emission rates of wheat and maize straw68
• 6.3.2 Cumulative C0_2 evolution of wheat and maize straw68-69
• 6.3.2 Percent carbon mineralized69-70
• 6.3.3 Soil organic carbon70
• 6.3.4 Microbial biomass carbon70-71
• 6.3.5 Microbial biomass nitrogen71
• 6.3.6 Soil inorganic N (NH_4-N, N0_3-N)71-72
• 6.4 Discussion72-76
• 6.4.1 Effect of treatments on cumulative C0_2 & emission rates72-73
• 6.4.2 Effect on SOC, MBC,MBN and soil inorganic N73-76
• CHAPTER 7 CONCLUSION76-78
• REFERENCES78-85
• ACKNOWLEDGEMENT85-87
• about THE AUTHOR87
• PUBLICATIONS87

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