有机肥在黄土高原土壤中的碳、氮周转特征

摘要

黄土高原地区具有干旱半干旱的气候特征，降水量少、土地贫瘠。为了提高作物产量，化肥被大量施用，但是长期单施化肥已造成当地土壤质量严重退化。因此，施用有机肥对于当地农业的可持续发展具有重要意义。然而，目前有机肥的数量满足不了农业种植的需求，有机-无机配合施用是被推荐的一种主要施肥措施。考虑到黄土高原地区的施肥现状以及当地土壤中含有丰富碳酸钙的特点，本研究一方面通过田间原位培养试验和室内培养试验研究了有机肥配施化肥对土壤中碳、氮转化的影响，以及碳酸钙对有机肥在土壤中碳、氮转化的影响；另一方面通过大田试验研究了有机肥配施化肥对果园土壤物理性状以及苹果树的耐旱性、产量和苹果储藏性能的影响。期望揭示有机肥与化肥配合施用，或与碳酸钙同时存在时，土壤中碳、氮的周转特征以及对果园土壤性质和苹果树生长的影响。研究取得的主要结果如下： (1)明确了有机肥配施化肥后土壤有机碳的转化特征。有机肥经过360天的原位培养矿化率为50%–60%。配施化肥可以促进有机肥的矿化，尤其在施用低量有机肥时化肥可使有机肥矿化率提高10.5%。与单施有机肥相比，有机肥配施化肥可以激发土壤微生物活性，使土壤微生物量碳（MBC）含量的峰值提前80天左右，但它对土壤有机碳组分的影响与有机肥用量和培养时间有关。有机肥配施化肥略微降低了土壤总有机碳（TOC）含量，但使土壤MBC含量增加了2.7%–26.5%。低量有机肥配施化肥在培养前30天使土壤水溶性碳（WSOC）含量增加了9.3%，但30–360天使之降低了7.2%，而整个培养期间中、高量有机肥配施化肥分别使土壤WSOC含量平均增加了20.7%和19.2%。培养0–180天，有机肥配施化肥使土壤热水溶性碳（HWC）含量增加了13.1%–14.6%，但是180天后它对土壤HWC含量的影响很小。低量有机肥配施化肥使土壤颗粒有机碳（POC）含量降低了6.1%，但是中、高量有机肥配施化肥分别使土壤POC含量增加了4.9%和14.9%。有机肥配施化肥对土壤易氧化碳（ROC）含量的影响与POC相同，低量有机肥配施化肥使ROC含量降低了15.3%，但是中、高量有机肥配施化肥分别使ROC含量增加了10.3%和10.0%。总之，低量有机肥配施化肥后对土壤有机碳组分影响较小甚至使其减少，但是中、高量有机肥配施化肥可明显增加土壤有机碳组分（MBC、WSOC、HWC、ROC和POC）的含量。 (2)揭示了有机肥配施化肥后土壤氮素的周转特征。有机肥配施化肥可以促进有机氮的矿化，但是在360天培养期内中量有机肥配施化肥较高量和低量有机肥配施化肥处理中土壤氮素损失更小仅为14.4%。由此可见，中量有机肥配施化肥更有利于土壤中氮素的保存。有机肥配施化肥可以增加土壤氮素组分的含量，其增加幅度与有机肥用量成正比，但随着培养时间延长而减小。与单施有机肥相比，有机肥配施化肥使土壤微生物量氮（MBN）含量增加了7.0%–13.7%。培养0–180天，有机肥配施化肥对土壤碱解氮（AH–N）的影响效果会被所施化肥掩盖，但是180–360天，相比对照它可显著增加土壤中AH–N的含量，但相对于单施有机肥处理效果不明显。与单施化肥相比，在培养0–180天，有机肥配施化肥使土壤MBN和AH–N含量分别增加了35.1%–115.6%和3.5%–55.8%。此外，有机肥配施化肥还增加了土壤中铵态氮（NH4–N）和硝态氮（NO3–N）的含量，但随着培养时间延长效果逐渐消失。总之，在有机肥用量较高的情况下配施化肥能促进土壤中氮素组分含量的增加，更有利于土壤氮素的供应，但结合保氮效果来看中量有机肥（45t ha-1）配施化肥（450kg ha-1N和157.5kg ha-1P）效果更佳。 (3)揭示了在施用有机肥条件下碳酸钙含量在不同土壤中对有机碳矿化及其组分变化的影响。碳酸钙对土壤有机碳组分的影响与土壤类型和有机肥的施用有关。培养105天时，在未向塿土中施用有机肥的情况下，与低量碳酸钙相比，中、高量碳酸钙分别使土壤MBC含量增加了2.3%和5.2%，使WSOC含量降低了7.5%和18.7%，使ROC含量降低了5.7%和7.2%。施用有机肥后，随着碳酸钙含量增加塿土中MBC、WSOC和ROC含量分别增加了4.2%–12.8%，1.6%–5.2%和4.1%–6.7%。此外，无论是否施用有机肥塿土中钙结合态腐殖质（Ca–Hs）碳含量均不受碳酸钙含量增加的影响。在黑垆土中，未施用有机肥时，中、高量碳酸钙相比低量碳酸钙分别使土壤MBC含量增加了3.7%和7.3%，使Ca–Hs碳含量增加了3.4%和9.2%，但使WSOC和ROC含量分别随之降低了9.1%–16.1%和14.8%–16.8%。施用有机肥后，黑垆土中MBC、WSOC、ROC含量均随碳酸钙含量增加而降低，但Ca–Hs碳含量仍被显著增加了3.5%和3.7%。培养105天后施用有机肥会使塿土和黑垆土中CO2排放量分别增加51.8%和56.8%，但碳酸钙对土壤CO2排放的影响与是否施用有机肥有关。未有机肥时，塿土和黑垆土中CO2排放量随碳酸钙含量增加分别减少5.6%–12.8%和1.6%–10.3%。施用有机肥后，相比单施有机肥，在具有高量碳酸钙的塿土中有机肥和碳酸钙会对CO2排放产生正的交互效应，使CO2排放量增加了4.5%。然而，在黑垆土中有机肥与中量碳酸钙会对CO2排放产生正的交互效应，使CO2排放量增加了1.1%，但是它与高量碳酸钙则对CO2排放产生负的交互效应，使CO2排放量减少了9.4%。总之，土壤活性有机碳组分的增加会促进土壤有机碳矿化，但是Ca–Hs的形成会阻碍有机碳的分解。有机肥和碳酸钙对土壤中有机碳周转的影响取决于碳酸钙和有机肥对有机碳矿化的激发效应和碳酸钙对土壤有机碳的保护效应的共同效果。 (4)施用有机肥能够显著增加塿土和黑垆土中全氮（TN）、MBN、AH–N和矿质氮含量。然而，碳酸钙对土壤氮素组分的影响较为复杂，其表观含量的变化主要受土壤中微生物的生长繁殖及其对有机氮的矿化分解和对无机氮的固持作用的影响。在塿土中，未施用有机肥时，与低量碳酸钙相比，中、高量碳酸钙分别使土壤TN含量降低了1.9%和6.2%，使AH-N含量降低了6.2%和8.1%，但使MBN含量增加了4.5%和12.7%。施用有机肥后，中、高量碳酸钙分别使土壤TN和MBN含量增加了2.8%–5.9%和5.1%–12.2%，但使AH-N和矿质氮含量降低了2.9%–5.8%和7.2%–13.1%。在黑垆土中，未施用有机肥时，碳酸钙含量对土壤TN、MBN、AH–N和矿质态氮含量的影响趋势与塿土一致；但施用有机肥后，土壤TN、MBN、AH–N和矿质态氮含量分别随碳酸钙含量增加而降低了4.3%–5.9%、7.8%–13.5%、6.0%–6.6%和12.5%–20.7%。总之，未施用有机肥时土壤氮库容量随碳酸钙含量增加而减小，但是施用有机肥后碳酸钙对土壤中氮素周转的影响取决于碳酸钙对有机质的保护程度。施入塿土中的有机肥与碳酸钙结合的机会更多，有利于其中氮素的保存，但是施入黑垆土中的有机肥受碳酸钙保护程度低，更易受微生物的分解，随着碳酸钙含量增加它的氮库容量反而降低。 综上所述，有机肥在黄土高原土壤中的周转特征会受无机化肥和碳酸钙的影响。有机肥配施化肥对土壤碳、氮转化的影响与C/N比有关，中、高量有机肥配施化肥有利于有机肥在低温条件下的快速分解，明显增加土壤有机碳和氮素组分含量，满足秋季苹果树对养分的需求。碳酸钙对土壤碳、氮转化的影响与它对土壤微生物活性的激发效应和对有机质的保护程度有关。土壤活性有机碳组分的增加会促进土壤有机碳矿化，但Ca-Hs的形成会阻碍有机质的分解。有机肥配施化肥能增强苹果树的抗旱能力、提高苹果产量和品质，其效果随有机碳输入量的增加而增强。

目录

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 文献综述

1.3 研究切入点

1.4 研究内容

1.5 技术路线

第二章 有机肥配施化肥对黄土高原地区苹果园土壤中有机碳周转的影响

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

第三章 有机肥配施化肥对黄土高原地区苹果园土壤中氮素周转的影响

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 碳酸钙含量对有机肥在土壤中有机碳周转的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 讨论

4.5 小结

第五章 碳酸钙含量对有机肥在土壤中氮素周转的影响

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 结果与分析

5.4 讨论

5.5 小结

第六章 施用有机肥和碳酸钙对土壤团聚体以及其中有机碳分布和稳定性的影响

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.3 结果与分析

6.4 讨论

6.5 小结

第七章 有机肥配施化肥对黄土高原地区苹果树耐旱性及苹果产量和品质的影响

7.1 引言

7.2 材料方法

7.3 结果分析

7.4 讨论

7.5 小结

第八章 总结与展望

8.1 主要结论

8.2 研究创新点

8.3 研究中的不足

8.4 研究展望

参考文献

致谢

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