黄土高原旱作农田地膜覆盖下土壤磷素转化、有机质矿化以及土壤生态化学计量学特征

摘要

在黄土高原半干旱区农田土壤中，磷的缺乏及其较低的有效性逐渐成为限制农作物增产的重要因素。农作物残体作为该区农业土壤中有机质主要的来源，不同残体的分解特性会影响土壤质量和肥力的恢复过程。为了探讨黄土高原旱作农田中覆膜种植作物对土壤磷素转化过程及有效性的影响，以及不同耕作体系中土壤养分平衡及相互作用，本文于2008年至2011年间进行了如下实验的研究。　　实验一：　　从上个世纪90年代开始，地膜覆盖栽培作物大面积应用于中国半干旱黄土高原地区。然而，对地膜覆盖下土壤无机磷的有效性了解甚少，并且很难对其有效性进行预测。本实验研究了钙质土壤中地膜覆盖种植春小麦对土壤磷的有效性、土壤磷的盈亏以及表层磷的平衡、分级无机磷之间的相互转化。实验于2009年和2010年两个生长季在黄土高原实验站进行。实验中设置两个处理：裸地种植春小麦(B)和地膜覆盖种植春小麦(M)。小区面积为长10 m×宽6m。每个处理设置三个重复，重复小区随机排列。　　与B处理相比较，2009年和2010年籽粒产量在M处理中分别增加了94.5%和73.4%：而秸秆生物量分别增加了62.6%和53.6%。M处理中春小麦地上部分带走的磷的总量在两个实验年里都显著高于B处理。并且，小麦带走的P的质量在2009年显著高于2010年对应处理中的P的质量。所以，2009和2010两个实验年内M处理中P的残留量显著低于B处理。2009年生长季里降雨较少，而速效磷的平衡为正的平衡；2010年生长季里降雨较多，而速效磷的平衡则为负的平衡。这可能是因为，与干早年份相比，降雨较多的年份里较高的作物生物量需要更多地土壤速效磷，因此导致湿润年份土壤速效磷含量的降低。在本研究中，两个实验年结束后分级无机磷的含量在两个处理中都有增加的趋势，但是O-P含量减少。在M处理中土壤速效磷在2009年与Ca2-P，Al-P，Fe-P和Ca10-P有显著的正相关性，在2010年与Ca2-P呈显著正相关，但是在B处理中没有显著相关性。因此，我们可以认为在半干旱区进行地膜覆盖种植作物能够显著提高作物对土壤磷的利用率，减少土壤中磷的无效积累，并且提高分级无机磷对作物的有效性。未来研究应该集中在地膜覆盖种植其他作物对土壤速效磷、分级无机磷对作物有效性的机制的研究。　　实验二：　　农田土壤贫瘠和不可持续性是半干旱地区农业生态系统的主要特征。在该地区作物残体的降解可能是土壤养分的主要来源。了解残体分解过程和残体中养分释放特征有助我们在半干旱区设计合理的轮作体系。本实验研究了沟垄微集雨技术对作物残体降解和残体养分释放的影响，以及残体分解过程及养分释放特征的相互关系。本实验于2008年6月至2011年4月在黄土高原实验站进行。选择10种作物材料分别为春小麦、玉米、土豆、豌豆和苜蓿的地上秸秆和根系，置于孔径1 mm、宽10 cm×长15 cm的尼龙网袋中，然后随机埋于如下两个处理的地下土层20 cm处：(1)沟垄微集雨小区（沟宽、垄宽均为60cm，垄高15 cm，垄上覆膜，H）；(2)传统的平作小区(F)。每个小区长12 m×宽1.8 m，小区完全随机重复。　　实验过程中H处理中0-20 cm土层土壤湿度显著高于F处理中，但是O-10cm土层的温度在两个处理之间没有显著差异。并且，本研究中残体降解速率及养分释放特征在两个处理之间没有显著差异且没有一致的规律。因此我们可以认为沟垄集雨小区中由于积温和集雨效果没有达到影响作物残体降解的阈值，所以土壤温度和湿度等物理条件在半干旱局域环境内并不是影响作物残体降解过程的最主要的决定因素。除小麦秸秆外的其他4种作物秸秆残体和所有根系残体，残体质量的最大损失量均发生在第一分解阶段。但是对小麦秸秆残体而言，质量最大损失量发生在第二分解阶段。除了WS和WR残体以外，在H和F两个处理中其他残体养分C和N最快释放速率均发生在第一分解阶段。在两个处理中，残体中养分P的释放速率因不同的残体和不同的分解阶段而不同。在第一分解阶段，所有作物秸秆和根系残体的分解速率在H和F两个处理中都与残体N和P的含量呈显著正相关关系。在第一分解阶段的两个处理中，残体中N的释放速率与残体中的C∶N、C∶P在所有残体中均呈显著负相关关系。同样在第一分解阶段，作物秸秆残体中P的释放速率与N和P的浓度呈显著正相关关系，与残体中的C∶N和C∶P均呈显著负相关关系，两个处理中情况一致。综上所诉，我们可以认为在中国半干旱黄土高原地区决定作物残体降解过程和养分释放特征的最重要的因素的作物残体本身的化学组成特征，如残体N、P浓度，以及C∶N、C∶P等。　　实验三：　　对陆地农业生态系统中的土壤养分进行生态化学计量学(CNPes)特征的研究能够为土壤养分元素平衡及其相互作用等问题提供新的研究思路。本文研究了不同轮作体系对土壤CNPes特征及作物产量的影响。实验于2008年4月至2010年10月在兰州大学黄土高原实验站进行。实验采用裂区试验设计方法进行，主小区包括连作和轮作两个处理；连作包括3个亚小区：2007年至2010年分别连续种植春小麦(C1)玉米(C2)和土豆(C3)；轮作包括如下3个亚小区： 2007-2010年的作物序列分别为春小麦-土豆-豌豆-春小麦(R1)，玉米-土豆-豌豆-玉米(R2)，土豆-豌豆-土豆-豌豆(R3)。小区面积长6 m×宽10m。翻耕、播种及收获都按照当地种植时令进行。　　实验结果显示三年实验结束后，6个作物序列中土壤C、N、P、C∶N均呈不同程度的下降，并且P的下降最明显，而N∶P、C∶P则显著上升。非地膜覆盖作物序列根系平均C∶N比(Rc∶N)与土壤C和N的下降速率之间呈对数关系，而地膜覆盖加剧了土壤C、N的下降。随着RC∶N的增大，土壤C∶N比的下降趋势逐渐减缓。当RC∶N增大到40左右的时候，土壤C∶N变化的趋势由下降转为增加。随着作物根系C∶P的增加，土壤全磷含量的下降速率也逐渐增加。随着作物Rc∶P的增加，土壤C∶P比的增加速率也会增加。而在地膜覆盖的作物序列中的C∶P增加速率会明显低于其他处理。2010生长季里，C1处理中的小麦产量显著低于R1，而C2处理中的玉米籽粒产量也显著低于R2中。　　通过上述实验结果我们可以认为，在半干旱黄土高原地区农业生态系统仅靠自身修复难以维持其平衡和稳定。作物根系C∶N是驱动土壤C∶N比变化的主要驱动因子。在该地区，土壤N和P素的不平衡也是较为严重的问题。在轮作体系中前茬作物对下一季作物的产量有显著影响。

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