植物材料和水分管理对稻田土壤pH和碳氮矿化的影响

摘要

本论文选取我国南方的3种水稻土（浙江龙游的红砂田、黄筋泥田和浙江嘉兴的黄斑田）土壤和3种植物秸秆（紫云英、水稻、小麦）作为研究材料，采用实验室恒温培养的方法，通过测定土壤pH、NH4+、NO3-、CO2、MBC、DOC、DON等指标，分别研究了添加不同植物材料和不同水分处理（控水、干湿交替、淹水）等因素及其组合对不同初始pH土壤的酸碱性、微生物数量和活性及有机质矿化等的影响，进而对土壤酸化机理及其与土壤碳氮矿化的关系进行了较为系统和具体的分析与探讨，获得了以下主要研究结果:
　　 (1)添加秸秆明显提高了初始土壤pH不同的酸性水稻土的pH值，土壤pH在3天内快速增加，3天之后在红砂田和黄筋泥田土壤中继续缓慢增加，而在黄斑田土壤中则随培养时间而减小。土壤酸碱缓冲性能较强的黄筋泥田土壤，添加有机物料后其pH变化的幅度较小。添加有机物料对土壤pH的影响程度为初始pH较低土壤大于初始pH较高土壤。土壤碱度的变化受植物材料碱度的影响，其中紫云英大于水稻和小麦秸秆。土壤pH的增加与碱度的增加呈正相关。pH与添加植物材料的C/N比呈显著负相关。
　　 (2)添加植物材料后，3种水分处理中淹水使得酸性土壤的pH上升幅度最大。对黄斑田土壤，干湿交替处理对提升土壤pH的效果与淹水处理相似。对黄筋泥田，干湿交替处理并添加紫云英可以减少pH的波动。对黄斑田，干湿交替处理使其碱度增加较多，且持续时间较长。添加紫云英后，黄筋泥田相比黄斑田，淹水处理碱度增加幅度越大，持续时间最长。碱度和pH变化呈极显著正相关(p＜0.01)。
　　 (3)添加植物材料增加土壤微生物量，其中紫云英＞水稻＞小麦。土壤微生物量的变化经历了一个先增加、后减少的动态过程，在第3天达到最大，然后随培养时间而减少，14天后变化不大。从添加3种有机物料后3种土壤微生物量的平均值来看，黄斑田土壤的MBC最高，红砂田最低。土壤微生物量和有机质含量呈极显著正相关，且3种土壤中土壤微生物量C/N比与土壤pH变化均呈极显著正相关(R2=0.87，p＜0.01)。紫云英的C/N比为16.8，添加到土壤后易于分解矿化，而水稻和小麦的C/N比分别为39.9和75.3，易发生无机氮的固定。添加植物材料后，微生物在调节土壤有机物质矿化和碱度产生等方面起主导作用，进而导致土壤pH的增加。在添加紫云英的黄斑田和黄筋泥田两种土壤中，干湿交替和淹水处理抑制了土壤微生物的活性，3种水分处理下MBC的大小顺序为CW＞W-D＞WS。在3种水分处理下，MBC的波动规律均是先增加再减小。添加有机物料后，黄斑田土壤的MBC均高于黄筋泥田土壤，且2种土壤的MBC均显著高于未添加紫云英的土壤。培养末期，控水处理的MBC下降最多，而此时干湿交替处理的MBC高于淹水处理。
　　 (4)添加秸秆提高了土壤呼吸速率和累计CO2释放量，通常在第3天土壤呼吸速率达到最高，然后随着培养时间的推移而减小。就土壤而言，黄斑田土壤的呼吸速率最高，红砂田土壤最低。添加秸秆后，增加了土壤的呼吸及CO2的排放量，且添加紫云英的高于水稻和小麦秸秆。DOC在植物残体的初始分解过程中起到了重要作用，从第1天到第3天，DOC含量快速减小，DOC中有机阴离子的分解对初期土壤pH的上升起主要作用。土壤DON的浓度与植物材料N浓度和超额阳离子呈正相关，与C/N比呈负相关。NH4+浓度在添加紫云英的红砂田和黄筋泥田土壤中随培养时间而增加，而在黄斑田土壤中却随培养时间而减小。在3种土壤中添加水稻和小麦秸秆，初期NO3-N的浓度比不添加的对照土壤低。紫云英促进了NH4-N释放，提高了NO3-N浓度，水稻和小麦秸秆则促进了NH4-N固定、降低了NO3-N浓度。研究还表明，在添加紫云英的3种土壤中，NH4-N浓度最高;3种土壤NH4-N浓度的顺序为红砂田＞黄筋泥田＞黄斑田。
　　 (5)对于添加紫云英的黄斑田和黄筋泥田2种土壤，控水处理下2种土壤的DOC均剧烈下降，干湿交替和淹水处理可延缓DOC含量的下降。在干湿交替和淹水处理下，酸性较弱、初始有机质含量较高土壤的DOC含量明显高于酸性较强的土壤。添加紫云英后，在控水和淹水处理下，初始有机质含量较高的黄斑田和红砂田土壤的呼吸速率和累计CO2释放量均显著高于初始有机质含量较低的土壤（黄筋泥田）(p＜0.01)。对相同土壤而言，淹水处理下累计CO2释放量低于控水处理，淹水处理下的厌氧条件限制了微生物的活动。
　　 (6)添加紫云英后，在淹水和干湿交替处理下，黄斑田土壤的DON显著高于黄筋泥田土壤(p＜0.01)。在酸性较强、初始有机氮含量较低的土壤中添加紫云英，控水处理下DON的含量最高。在酸性较弱、初始有机氮含量较高的土壤中添加紫云英，淹水处理的DON含量高于控水处理，干湿交替处理下DON的含量波动较大，但总体上高于控水处理。在黄筋泥田土壤中添加紫云英，控水处理下NO3-N含量高于干湿交替处理和淹水处理。因此，控水处理对提高黄筋泥田土壤pH的作用低于干湿交替和淹水处理。同样，控水处理下黄斑田土壤的NO3-N浓度与土壤pH的降低有一致的关系。频繁的干湿交替可以增加酸性水稻土的N矿化。在淹水条件下，添加紫云英的黄筋泥田土壤中的NH4-N浓度高于黄斑田土壤，酸性较强、初始有机氮较低的土壤添加紫云英对于土壤NH4-N的增加作用较高;酸性较弱、初始有机氮较高的土壤，添加的紫云英在土壤中的矿化相对较弱。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 引论

1．1 植物材料利用与土壤酸化

1．1．1 作物和绿肥秸秆的利用现状

1．1．2 土壤酸化和治理

1．2 植物材料对土壤性质的影响

1．2．1 植物材料对土壤pH的影响

1．2．2 植物材料对碳矿化和微生物的影响

1．2．3 植物材料对土壤氮矿化的影响

1．3 水分条件和植物材料对土壤性质的影响

1．3．1 水分及植物材料对土壤pH的影响

1．3．2 水分及植物材料对土壤碳矿化和微生物的影响

1．3．3 水分及植物材料对土壤氮矿化的影响

1．4 论文研究意义、内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 植物材料和水分管理对土壤pH的影响

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 供试土壤

2．2．2 供试植物材料

2．2．3 培养试验

2．2．4 测定方法

2．2．5 统计分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同植物材料添加后土壤pH和碱度的动态变化

2．3．2 初始土壤pH和土壤其它特性对土壤pH变化的影响

2．3．3 植物材料碱度及其它特性对土壤pH变化的影响

2．3．4 紫云英在不同水分条件下对土壤pH和碱度动态变化的影响

2．4 小结

第三章 植物材料和水分管理对土壤微生物量的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 供试土样

3．2．2 研究方法

3．3 结果和讨论

3．3．1 植物材料对土壤微生物量C、N动态变化的影响

3．3．2 土壤有机质和pH对土壤微生物量C、N的影响

3．3．3 土壤质地对土壤微生物量C、N的影响

3．3．4 植物材料的C／N比对微生物量C、N的影响

3．3．5 水分管理对土壤微生物量C的影响

3．4 小结

第四章 植物材料对土壤碳氮矿化的影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验土壤

4．2．2 土壤呼吸测定

4．2．3 DOC和DON的测定

4．2．4 NH4-N和NO3-N的测定

4．2．5 统计分析

4．3 结果和讨论

4．3．1 植物材料对土壤溶解性有机碳和氮动态变化的影响

4．3．2 植物材料对土壤CO2释放速率和累计呼吸量的影响

4．3．3 土壤DOC含量和CO2释放量之间的关系

4．3．4 植物材料对土壤NH4+-N和NO3--N的影响

4．3．5 植物材料添加后土壤碳氮矿化对土壤pH变化的影响

4．4 小结

第五章 紫云英在不同水分条件下对土壤碳氮矿化的影响

5．1 引言

5．2 材料和方法

5．2．1 土壤和植物材料

5．2．2 培养和提取方法

5．2．3 统计方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 土壤溶解性有机碳的动态变化

5．3．2 土壤溶解性氮的动态变化

5．3．3 土壤呼吸速率和CO2释放量的动态变化

5．3．4 土壤MBC和DOC与CO2释放量之间的关系

5．3．5 土壤NH4+-N和NO3--N的动态变化

5．3．6 土壤碳氮矿化对土壤pH的影响

5．4 小结

第六章 研究结论、特色和创新点以及进一步研究的设想

6．1 研究结论

6．1．1 植物材料和水分管理对土壤pH和碱度的影响

6．1．2 植物材料和水分管理对土壤微生物的影响

6．1．3 植物材料对土壤碳氮矿化的影响

6．1．4 添加植物材料土壤碳氮矿化对pH的影响

6．1．5 水分管理对土壤碳氮矿化的影响

6．1．6 添加紫云英在不同水分条件下土壤碳氮矿化对pH的影响

6．2 特色和创新点

6．3 进一步研究的设想

参考文献

图索引

表索引

作者科研成果

致谢