东北典型黑土坡面氮时空变化特征研究

摘要

黑土区是我国重要的商品粮生产基地，由于近百年来的不合理耕作，土壤侵蚀十分严重，加之在不同季节土壤水、热变化的驱动作用下，以及不同农业管理方式的影响下，致使土壤氮(N)的时空分布异常复杂，给农田土壤养分精准管理带来了困难。农田土壤氮(N)的高度异质性易导致N肥施用过量或不足，其结果是:(1)氮(N)肥施用过量加重环境污染;(2)氮(N)肥施用不足降低作物产量和品质。过去关于土壤N异质性的研究多关注秋季大尺度的时空分布特征，而关于作物生长期氮(N)的时空分异规律报道较少，而此阶段土壤氮(N)时空动态变化直接关系到作物生长过程和最终产量。黑土带位于我国东北部高纬度地区，每年“秋-冬”和“冬-春”交替存在较长时间的冻结和融冻现象（冻结和融冻累积时间长达6个月以上），冻融改变了区域土壤结构、土壤侵蚀、氮(N)素转化和运移，进而改变冻融前后土壤氮(N)空间分布特征。又因为精准施肥多以秋季或春季土壤氮(N)空间分布格局为依据来调整施肥量，忽视了秋季和次年春季土壤养分调查结果之间的差异，增加了精准施肥的不确定性。为此，本研究兼顾作物生长期和冻融前后土壤N时空异质性变化，系统地阐明黑土农田坡面尺度全年土壤N时空分异规律和主要驱动机制，旨在为农田土壤中氮(N)素管理提供理论依据和技术支撑。 试验在“东北农业大学向阳试验基地”进行，基地位于东北典型黑土区中部地带。实验以黑土典型坡面为研究对象，通过2年的系统定位观测，研究了作物生长季和冻融前后玉米连作秸秆还田(CC+)、玉米连作秸秆不还田(CC-)、玉米-大豆轮作秸秆还田(CSR+)和玉米大豆轮作秸秆不还田(CSR-)处理条件下，连续坡位（坡顶、坡肩、坡背、坡脚和坡趾）土壤中氮(N)时空动态变化规律。其中作物生长季采用网格采样法采集耕层土壤，测定土壤铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和总速效氮（AN，NH4+-N+NO3--N）;同时测定了相关的土壤理化指标和作物生长性状指标。冻融前采用透气、防降水、防侵蚀的装置遮盖不同坡位，简称“覆膜”;冻融前后采用网格法分层(0-5 cm、5-10 cm、10-20 cm)采集覆膜土壤和未覆膜土壤，测定全氮(TN)和碱解氮(AHN)。结合经典统计学和地统计学的分析方法，分析了作物生长季和冻融前后不同耕作处理下、不同坡位土壤中氮(N)时空动态变化规律，并结合土壤理化因子、作物生长特征因子等系统地分析土壤N时空分布的主要驱动机制，主要研究结果和结论如下: 作物生长季节内土壤氮(N)时空格局变化和主要驱动机制: (1)作物生长季节，苗期土壤铵态氮（NH4+-N）含量处于10.47～22.01 mg kg-1之间，生长期处于20.34～24.58 mg kg-1之间，成熟期含量处于23.04～27.26 mg kg-1之间;作物生长过程中土壤中硝态氮(NO3--N)含量在苗期处于6.07～16.84 mg kg-1之间，生长期处于4.93～20.94 mg kg-1之间，成熟期处于10.97～22.85 mg kg-1之间。 (2)作物生长期，轮作处理(CSR)土壤中速效氮(AN)的含量低于连作(CC)处理土壤中的含量（低于3.6％）;秸秆还田导致微生物与作物争肥，故作物成熟期秸秆还田处理下土壤中速效氮(AN)含量低于无秸秆还田处理。 (3)受到地形、降雨和土壤侵蚀的影响，作物生长过程中，坡耕地土壤速效氮(AN)的含量在坡顶(18.57～63.70 mg kg-1)和坡底(16.17～71.75 mg kg-1)位置较高，坡背(16.12～44.08mg kg-1)位置含量相对较低。 (4)整个作物生长季节内，土壤氮(N)受到结构因子（降水、气温、侵蚀和作物生长过程）和随机因子（施肥、除草等）共同影响，不同处理间土壤中速效氮(AN)的动态变化规律相近，但年际间差异较大，总体呈现上升的趋势。 (5)作物生长期，轮作处理(CSR)种植大豆时土壤速效氮(AN)少于种植玉米（少了5.2％），轮作处理种植玉米时则土壤速效氮(AN)含量高于玉米连作，秸秆还田(CC+和CSR+)降低了土壤速效氮(AN)的含量。 (6)苗期不施肥时速效氮(AN)主要受硝态氮（NO3--N）的影响;苗期施氮(N)肥时，速效氮(AN)与硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)变化规律相近，受两者共同影响。不施用氮(N)追肥时，秋季速效氮(AN)的空间分布主要由铵态氮(NH4+-N)含量决定;施用N追肥时，秋季速效氮(AN)的空间分布主要由铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量共同决定。 冻融过程中土壤中氮(N)时空格局变化和主要驱动机制: (1)冻融前全氮(TN)含量处于0.65～2.39 g kg-1之间，冻融后膜覆盖下全氮(TN)含量处于0.66～1.30 g kg-1，高于无覆盖处理下全氮(TN)含量（0.57～0.86 g kg-1）;土壤碱解氮(AHN)冻融前含量处于80.3～239.4 mg kg-1之间，冻融后处于91.9～181.5 mg kg-1之间，膜覆盖下碱解氮(AHN)处于63.8～354.7 mg kg-1之间。 (2)冻融后，所有处理覆膜和不覆膜，不考虑坡位的影响，土壤全氮(TN)含量整体上呈现降低的趋势。随着土壤深度的增加，受水分变化的影响，坡顶和坡底靠近表层土壤碱解氮(AHN)的含量相对较高(8.5-35.21％)。 (3)冻融后，所有处理不覆膜，坡背土壤N含量最低(TN:0.42～0.77 g kg-1; AHN:44.33～121.33 mg kg-1)，坡顶(TN:0.68～1.70 g kg-1; AHN:67.67-191.33 mg kg-1)和坡底(TN:0.34～0.97 g kg-1; AHN:70.00～298.67 mg kg-1)略高。 (4)受秸秆还田方式影响，无覆膜条件下，2015年秋-2016年春土壤碱解氮(AHN)在各土层中均呈显著性下降的变化趋势，2016年秋-2017年春土壤坡中位置碱解氮(AHN)呈现上升的趋势。 (5)受侵蚀，以及蒸发和冻融作用下水势变化驱动作用的影响，膜覆盖处理下，土层中全氮(TN)通常比无膜覆盖土层中全氮(TN)的含量高（高了20.7％）。受多因素的作用，膜覆盖处理和无膜覆盖处理在不同年季间碱解氮(AHN)变化不一致，其中2015年-2016年冻融结束相同土层碱解氮(AHN)的含量比无膜覆盖处理碱解氮(AHN)含量高，而2016年-2017年冻融结束覆膜土壤碱解氮（AHN）低于无覆膜土壤碱解氮(AHN)，且均低于冻融前土壤中碱解氮(AHN)含量。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土壤养分空间异质性方法研究进展

1．2．2 土壤氮的时空异质性研究进展

1．2．3 黑土区土壤氮的时空异质性研究进展

2 材料与方法

2．1 研究区概况

2．2 试验设计

2．2．1 研究方法

2．2．2 土壤理化指标的测定方法

2．2．3 作物生育期内生物性状观测方法

2．2．4 地统计学分析方法

2．3 技术路线图

3 结果与分析

3．1 作物生长季速效氮的时空分布特征分析

3．1．1 作物生长季速效氮时空分布的经典统计学分析

3．1．2 作物生长季速效氮时空分布地统计学分析

3．1．3 基于地统计学的作物生长期土壤氮空间分布格局分析

3．2 冻融前后氮的时空分布特征分析

3．2．1 冻融前后氮时空分布经典统计学分析

3．2．2 冻融前后氮素时空分布地统计学分析

3．2．3 基于地统计学的冻融前后土壤氮空间分布格局分析

4 讨论

4．1 作物生长季土壤中N的时空分布

4．1．1 作物生长期不同耕作方式对土壤中氮的影响

4．1．2 作物生长期不同坡位中土壤N的变化

4．2 冻融前后土壤中N的时空分布

4．2．1 冻融前后土壤中N的动态变化

4．2．2 冻融前后土壤N的空间变化

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文