长期施肥对灰漠土团聚体形成及有机碳固存影响机制研究

摘要

灰漠土是我国西北干旱地区具有代表性的一类农田土壤，近年来受植被退化、生物多样性减少的影响，灰漠土的土壤结构遭到严重破坏，致使土壤肥力大幅下降，严重制约新疆灰漠土区农田持续高产和稳产。为了增强土壤结构性、提高土壤生物多样性，本研究选择位于西北干旱荒漠地带性土壤-灰漠土为基础，利用“国家灰漠土肥力与肥料效益监测站”长期定位肥料试验区中的6个处理:1)不耕作、不施肥（撂荒，CK0）;2）不施肥(CK);3)单施氮肥(N);4)氮磷钾配施(NPK);5)氮磷钾+增量有机肥(1.5MNPK);6)氮磷钾+秸秆还田(SNPK)，研究了灰漠土区不同肥料长期定位配施过程中，土壤团聚体的形成及团聚体结合有机碳的化学组成、土壤动物群落结构和多样性与团聚体的相关性、团聚体有机碳组分时间序列上的变化特征，同时分析不同有机碳组分与土壤肥力的关系;进而阐明团聚体组成对有机碳的物理化学保护作用，明确了灰漠土团聚体的形成及有机碳的固存机制，为提高灰漠土区农田生产力，实现区域农业可持续发展提供理论基础与实践依据。
　　研究结果说明，在灰漠土区大团聚体和粉粒+粘粒组分对施肥措施的响应更加敏感，而土壤有机碳趋向微团聚体累积有益于土壤有机碳的长期固存。增施有机肥通过保护团聚体内颗粒态有机碳（Particulate organic carbon，POC）和提升了大团聚体的质量分数，促进了土壤的团聚化程度，利于土壤结构的改善，进而提高了土壤有机碳含量，而且增施有机肥(1.5MNPK)的效果比秸秆还田(SNPK)更明显。而单独施用化肥仅仅能够维持土壤有机碳含量，对提升土壤的团聚化程度并没有产生显著的影响。由此可见，在团聚体的形成过程中，有机质起了非常重要的胶结作用，能够促进大团聚体的形成，进而提高团聚体的稳定性，有利于土壤肥力的改善。
　　利用核磁共振波谱技术研究了土壤和各粒级团聚体中有机碳的分子结构特征，结果显示随着团聚体粒级逐渐减小，烷基碳与羰基碳的比例逐渐增加，烷氧碳与芳香碳的比例逐渐减小，烷基碳/烷氧碳的比率逐渐升高，有机质的分解程度不断增加。与不施肥土壤相比较，长期有机-无机配合施用（1.5MNPK和SNPK）提高了土壤有机质中烷氧碳和羰基碳的比例，羰基碳的累积主要发生在大团聚体和微团聚体中。长期单独施用化肥（N和NPK）土壤中烷基碳的比例明显增加，芳香碳和羰基碳的比例明显减小，增大了烷基碳/烷氧碳的比率，加速了有机质的矿化分解。表明长期施用有机肥带入大量的碳水化合物和有机酸，通过大团聚体和微团聚体对有机碳的化学保护来增强土壤有机质的稳定性，从而提高土壤有机碳含量。
　　土壤动物群落的分布与不同肥料的性质紧密相关。增施有机物料（1.5MNPK和SNPK）有利于土壤动物生存，能够持续性地增加土壤动物群落的个体总数和总类群数，而平衡施用化肥(NPK)仅能够增强土壤动物群落的丰富度。土壤动物群落总个体数及多样性指数（H'）与粉粒+粘粒组分和大团聚体结合有机碳含量及大团聚体的质量分数均存在显著的正相关性，说明团聚体为土壤动物群落提供了丰富的营养能量来源，同时±壤动物群落的多样性也促进了土壤的团聚化程度。
　　24年连续长期配施有机肥(1.5MNPK)，灰漠土中总有机碳及其组分随施肥时间延长而显著增加，其中砂粒结合有机碳组分对施肥措施的响应更加敏感，增加幅度最大，对土壤总有机碳累积的影响要高于其它组分。轻质有机质（粗自由颗粒态有机碳和细自由颗粒态有机碳）组分对土壤养分变化的响应更加积极，而存在于微团聚体中的物理保护性有机碳组分对土壤养分的供应和土壤总有机碳的固存起着置关重要的作用。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景与依据

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土壤团聚体的形成与周转

1．2．2 土壤团聚体对有机碳的固碳机制

1．2．3 土壤团聚体的研究方法

1．2．4 土壤团聚体中有机碳的研究方法

1．2．5 核磁共振技术在土壤有机碳动态变化研究中的应用

1．2．6 影响土壤团聚体稳定性及其结合碳的因素

1．3 研究目标、研究内容及技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第2章 研究区概况与研究对象

2．1 研究区概况

2．2 研究对象

2．3 土壤样品的采集处理与大量养分元素的测定方法

第3章 长期施肥对灰漠土团聚体形成及团聚体结合碳的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 土壤样品采集

3．1．2 土壤总有机碳及团聚体结合有机碳含量测定方法

3．1．3 土壤团聚体组分分离方法

3．1．4 土壤团聚体结合有机碳分离方法

3．1．5 土壤团聚体稳定性评价方法

3．1．6 土壤团聚体结合有机碳含量的计算方法

3．1．7 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．1 长期施肥对有机碳含量的影响

3．2．2 长期施肥对团聚体分布及稳定性的影响

3．2．3 长期施肥对团聚体结合碳浓度的影响

3．2．4 团聚体结合碳浓度与团聚体分布的相关性分析

3．2．5 长期施肥对团聚体结合碳及团聚体内颗粒态有机质含量的影响

3．3 讨论

3．4 小结

第4章 长期施肥对灰漠土团聚体结合有机碳分子结构的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 土壤样品采集及土壤团聚体组分分离方法

4．1．2 固态13C核磁共振波谱(13C-NMR)分析方法

4．1．3 数据处理

4．2 结果与分析

4．2．1 长期施肥下灰漠土中有机碳的结构特征

4．2．2 长期施肥下灰漠土团聚体中有机碳的结构特征

4．3 讨论

4．4 小结

第5章 长期施肥对灰漠土土壤动物群落的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 土壤动物群落的研究方法

5．1．2 数据处理

5．2 结果与分析

5．2．1 长期施肥对土壤动物群落结构和多样性的影响

5．2．2 长期施肥对土壤动物主要群落的影响

5．2．3 土壤动物群落与团聚体的相关性分析

5．3 讨论

5．4 小结

第6章 长期施肥下灰漠土土壤有机碳及其组分时间序列变化特征

6．1 材料与方法

6．1．1 土壤样品采集

6．1．2 土壤有机-无机复合体组分分离测定方法

6．1．3 团聚体有机碳组分分离测定方法

6．1．4 土壤有机碳时间序列分析方法

6．2 结果与分析

6．2．1 长期施肥下土壤总有机碳时间序列变化特征

6．2．2 长期施肥下各粒级有机-无机复合体结合有机碳组分时间序列变化特征

6．2．3 长期施肥下土壤团聚体有机碳组分时间序列变化特征

6．2．4 有机-无机复合体结合有机碳组分之间及与总有机碳的相关性分析

6．2．5 团聚体有机碳组分之间及与总有机碳的相关性分析

6．3 讨论

6．4 小结

第7章 长期施肥下灰漠土土壤有机碳及其组分与土壤肥力的关系

7．1 材料与方法

7．1．1 冬小麦作物产量测定方法

7．1．2 数据处理

7．2 结果与分析

7．2．1 长期施肥对小麦产量的影响

7．2．2 土壤有机碳及其组分与大量养分元素和作物产量的关系

7．3 讨论

7．4 小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 研究展望

参考文献

致谢

作者简介