旱作玉米农田土壤酶活性及微生物量碳氮对施氮、覆膜与大气CO2浓度升高的响应

摘要

大气CO2浓度升高势必会对农作物的生长发育及其养分吸收等产生影响，进而改变其生长的土壤环境。玉米是我国主要粮食作物之一，氮肥对粮食作物生产具有重要意义，地膜覆盖栽培技术是北方旱区农业生产中被广泛应用的增产措施。因此在干旱半干旱区开展玉米农田土壤酶活性及微生物量对大气CO2浓度升高和施氮覆膜响应规律的研究，对于深入了解土壤养分转化、能量代谢等能力的强弱具有重要意义。本试验在田间条件下通过改进的开顶式气室（OTC）系统自动控制大气CO2浓度，设置自然大气CO2浓度（CK）、OTC对照（OTC）、OTC系统自动控制CO2浓度（700μmol·mol-1，OTC+CO2）三个处理，并分别对应四种水肥管理方式（不覆膜不施氮（RN0）、不覆膜施纯氮225kg·N·hm-2（RN225）、覆膜施纯氮225kg·N·hm-2（MN225）、覆膜施纯氮290kg·N·hm-2（MN290）），研究了旱作春玉米不同生育期土壤酶活性及微生物量碳氮对大气CO2浓度升高的响应特征；以及当前自然大气条件下施氮与覆膜对土壤酶活性及微生物量碳氮的影响。旨在为进一步揭示未来气候条件下农田土壤生态学过程，寻求作物稳产高产的土壤生物化学环境，提高土壤生物肥力等提供科学依据。主要结论如下： （1）当前旱作覆膜高产栽培模式下，大气CO2浓度升高对春玉米农田土壤酶活性的影响因作物生育期和酶种类不同而异；土壤酶活性对O TC及大气C O2浓度升高的响应程度不一，在当前试验条件（MN225）下，OTC对土壤酶活性的影响较大气CO2浓度升高更为显著。 （2）与不施氮处理（RN0）相比，常氮处理（RN225）能够显著提高玉米多个生育期土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性，升高幅度分别为14.25%~17.29%；6.13%~7.49%和49.51%~51.47%；而覆膜条件下常氮（MN225）与高氮（MN290）处理间土壤酶活性无显著差异；常氮条件下，地膜覆盖能够使玉米多个生育期土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均有所降低。 （3）玉米根际环境能够提高土壤微生物量碳氮含量，其中根际土壤微生物量碳含量比非根际高13.15%~240.83%，根际土壤微生物量氮含量相比非根际提高11.95%~118.65%。 （4）土壤微生物量碳氮对OTC及大气CO2浓度升高的响应因根际环境、生育期及水肥管理模式不同而存在差异。根际与非根际土壤微生物量碳氮对O TC及C O2浓度升高的响应规律并不完全一致；不同水肥模式下，OTC对根际与非根际土壤微生物量碳、非根际土壤微生物量氮的影响较CO2浓度升高更为显著；生育期是春玉米农田土壤微生物量碳氮的重要影响因素。 （5）与不覆膜不施氮处理相比，常氮处理可一定程度提高土壤微生物量碳氮，而地膜覆盖则可降低其含量；覆膜高氮处理条件下土壤微生物量氮含量低于覆膜常氮处理；根际土壤微生物量碳氮对施氮与覆膜的响应较非根际更为敏感。 综上，施氮、覆膜及大气CO2浓度升高对土壤酶活性与微生物量碳氮的影响与作物生育期、酶种类及根际环境等有关。以上结果可为未来气候变化条件下改善黄土高原干旱半干旱地区旱作玉米农田土壤质量等提供数据支持。

目录

论文说明

声明

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 国内外研究进展

1.3.1 CO2控制系统的研究

1. 3. 2 大气CO2浓度升高对作物生长的影响

1. 3. 3 大气CO2浓度升高对土壤酶活性的影响

1. 3. 4 大气CO2浓度升高对土壤微生物量碳氮的影响

1. 3. 5 施氮覆膜对土壤酶活性的影响

1. 3. 6 施氮覆膜对土壤微生物量碳氮的影响

1. 4. 1 研究内容

1. 4. 2 技术路线

第二章 试验材料与方法

2.1 试验区域概况

2.2 田间试验设计

2.3 OTC系统简介

2.4 测定项目与方法

2. 4. 1 土壤酶活性的测定

2. 4. 2 土壤微生物量碳氮的测定

2. 4. 3 土壤含水率和温度的测定

2.5 数据处理与统计分析

第三章 覆膜玉米不同生育期土壤酶活性对大气CO2浓度升高的响应

3.1 春玉米各生育期不同处理下土壤水分和温度变化

3. 2. 1 春玉米各生育期土壤脲酶活性对大气CO2浓度升高的响应

3. 2. 2 春玉米各生育期土壤碱性磷酸酶活性对大气CO2浓度升高的响应

3. 2. 3 春玉米各生育期土壤蔗糖酶活性对大气CO 2浓度升高的响应

3. 2. 4 春玉米各生育期土壤过氧化氢酶活性对大气CO2浓度升高的响应

3.3 OTC、CO2和生育期对土壤酶活性的影响

3.4 讨论

3.4.1 OTC对春玉米土壤酶活性的影响

3.4.2 CO2浓度升高对春玉米土壤酶活性的影响

3.4.3 OTC与CO2浓度升高的交互效应及生育期对春玉米土壤酶活性的影响

3.5 小结

第四章 玉米不同生育期土壤酶活性对施氮与覆膜的响应

4. 1. 1 玉米不同生育期土壤脲酶活性对施氮与覆膜的响应

4. 1. 2 玉米不同生育期土壤碱性磷酸酶活性对施氮与覆膜的响应

4. 1. 3 玉米不同生育期土壤蔗糖酶活性对施氮与覆膜的响应

4. 1. 4 玉米不同生育期土壤过氧化氢酶活性对施氮与覆膜的响应

4.2 讨论

4. 2. 1 施氮对土壤酶活性的影响

4. 2. 2 覆膜对土壤酶活性的影响

4.3 小结

第五章 玉米不同生育期土壤微生物量碳氮对大气CO2浓度升高的响应

5.1 春玉米各生育期根际与非根际土壤微生物量碳氮比较

5.1.1 春玉米各生育期根际与非根际土壤微生物量碳（SMBC）比较

5.1.2 春玉米各生育期根际与非根际土壤微生物量氮（SMBN）比较

5. 2. 1 春玉米各生育期根际与非根际SMBC对大气CO2浓度升高的响应

5. 2. 2 春玉米各生育期根际与非根际S MBN对大气CO2浓度升高的响应

5.3.1 OTC、CO2和生育期对根际与非根际SMBC的影响

5.3.2 OTC、CO2和生育期对根际与非根际SMBN的影响

5.4 讨论

5. 4. 1 春玉米根际与非根际土壤微生物量碳氮

5.4.2 OTC对春玉米土壤微生物量碳氮的影响

5.4.3 CO2浓度升高对春玉米土壤微生物量碳氮的影响

5.4.4 OTC与CO2浓度升高的交互效应及生育期对春玉米土壤微生物量碳氮的影响

5.5小结

第六章 玉米不同生育期土壤微生物量碳氮对施氮与覆膜的响应

6. 1. 1 玉米不同生育期根际与非根际SMBC对施氮与覆膜的响应

6. 1. 2 玉米不同生育期根际与非根际SMBN对施氮与覆膜的响应

6.2 讨论

6. 2. 1 施氮对土壤微生物量碳氮的影响

6. 2. 2 覆膜对土壤微生物量碳氮的影响

6.3 小结

第七章 主要结论与研究展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

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