【毕业学位论文】（Word原稿）长期施肥条件下黑土有机碳库和氮库变化研究植物营养硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 硕士学位论文 长期施肥条件下黑土有机碳库和氮库变化研究 of of of I 摘 要 研究长期施肥条件下农田黑土有机碳库与氮库的变化动态，对我国黑土区的生态保护和合理开发利用具有重要意义。本研究以“国家黑土肥力和肥料效益长期定位监测基地”为平台 (19892004 年 )，系统分析了长期施肥对黑土有机碳库、氮库以及玉米产 量的影响。主要结果及结论如下： 机肥配施 肥可以显著增加土壤总有机碳库容。有机肥配施 肥 2004 年土壤总有机碳较 1989 年的分别增加 荒和秸秆配合 壤总有机碳增加 年递增率为 施氮肥和不施肥土壤总有机碳有所下降，降幅为 不同施肥土壤总有机碳差异均达到了显著或极显著水平，长期施肥 15 年后土壤总有机碳库大小顺序为 1+ 荒、秸秆 N、 机肥配施 肥土壤腐殖酸碳比试验初增加了 其中胡敏酸碳年递增率为 荒和秸秆配施 加 单施化肥和无 肥区增幅为 有机肥配合 肥土壤胡敏素碳较不施肥增加 其中 1+ 年递增率为 施化肥、秸秆 撂荒区，胡敏素碳随时间先降后升，长期施肥 15 年后土壤胡敏素碳库大小顺序为 1+1+ 荒 、秸秆 。 有机肥配施 钾及氮磷钾化肥和撂荒土壤：胡敏酸碳 /腐殖酸碳比值上升，富里酸碳 /腐殖酸碳比值下降； 秸秆配合 施氮和无肥区土壤， 胡敏酸碳 /腐殖酸碳比值下降，富里酸碳 /腐殖酸碳的比值上升， 胡敏素碳 /腐殖酸碳比值有升有降。 机肥配合 肥，土壤全氮和有效氮 (2004 年 )较试验初增加 其中 理土壤全氮年递增 施化肥和秸秆配合 肥，土壤全氮含量年际间有所降低， 2004 年各处理间由高到低的顺序为： 1+ 荒 秸秆 N；土壤有效氮 (2004 年 )均效试验初有所增加，处理间由高到低的顺序为： 1+ 秆K、 N、撂荒、 有机肥配施 秸秆配合 米产量 (2004 年 )是无肥区 ( 多、百粒重和穗粒数分别较无肥区增加 单施 N 肥产量 (1990均值 )是无肥区 1 倍多； 肥配施优于单施氮肥，增产 18%。 2004年 产量由高到低的顺序为 ： 1+ 秆 综合以上研究结果认为，黑土 15 年长期不同施肥条件下，不均衡施肥 (N、 )既不 利于高产，也不利于土有机碳库及氮库的累积，培肥效果差；均衡施用化肥 (能够维持较高的作物产量，土壤有机碳库和氮库与试验初相比变化不大；有机肥配施 仅作物稳产高产，而且土壤总有机碳库、腐殖酸碳库及氮库持续上升，是黑土持续利用的最佳施肥模式。 关键词 黑土 有机碳库 氮库 长期施肥 on of of is to In on of 9892004), of on of of as 1. on of PK of of 004 989 PK kg no of 5 in 1+ N、 2. on of of of PK to of of of K. 3. on of of of of PK K, 1+2+kg PK 5 in 1+ K. N. 4. on of of of PK K, of to to of to of K, of to to of to of to 5. on of of PK to of 1+004, in 1+ N； N a of it in 1+ K、 N、 6. on of PK of .5 00 of K of K. to 8%. 004, in 1+ 15 no of of PK of to PK of 目 录 第一章 绪论 1 期施肥对土壤有机碳库与土壤氮库的影响 . 1 期施肥对土壤有机碳库的影响 . 1 期施肥对土壤氮库的影响 . 2 壤有机碳库和氮库对生态系统循环和土壤肥力的意义 . 3 选题依据 . 4 第二章 材料与方法 6 验地点的基本情况 . 6 然条件： . 6 壤条件： . 6 验设计 . 7 定项目与分析方法 . 8 据处理与分析 . 8 第三章 结果与分析 9 期施肥条件下土壤总有机碳的变化 . 9 期施肥条件下土壤腐殖酸碳的变化 . 11 . 土壤富里酸碳的变化 .期施肥条件下土壤胡敏素碳（非腐殖酸碳）的变化 . 19 期施肥条件下土壤氮库的变化 . 20 壤全氮的变化 . 土壤有效氮的变化 .肥对产量及产量构成因素的影响 . 26 V 施化学肥料对玉米经济产量及构成因素的影响 . 有机无机肥料配施对玉米经济产量及构成因素的影响 .四章 讨论与结论 .论 . 30 期施肥对黑土有机碳库的影响 . 长期施肥对黑土氮库的影响 . 黑土长期施肥对作物产量的影响 .论 . 31 期施肥对黑土有机碳库的影响 . 长期施肥对黑土氮 库的影响 . 长期施肥对玉米产量和产量构成因子的影响 .新点： . 32 得继续研究的问题 . 32 期施肥对黑土活性有机碳和碳库管理指数的影响 . 土壤有机碳库演变规律的模型模拟研究 . 土壤氮 库组成及氮收入来源的研究 .考文献 谢 .者简历 国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 期施肥对土壤有机碳库与土壤氮库的影响 国外的长期肥料试验始于 19 世纪中叶，已经有 160 年的历史，可以回答包括土壤、肥料、植物营养、作物栽培以及病、虫、杂草等在内的大量科学问题。长期施肥对土壤肥力性状的影响，一方面是对土壤肥力性状的后期影响，另一方面是土壤肥力性状的历史演变（沈善敏， 1984），它具 备非短期试验解释和回答问题的的潜力。英国 验站始建于 1843 年，最早的为麦连作肥料试验，在相继 30 多年的时间里，法国、美国、丹麦等欧洲发达国家也布置了长期肥料定位试验，历史较早的经典试验主要包括： 1875 年法国 立农业研究所的小麦、甜菜肥料试验， 1876 年美国 学的 米大豆轮作试验及 1894 的丹麦 作肥料试验等，一百多年来世界性农业革命与化学肥料应用息息相关，长期肥料试验在推动世界农业向前发展及为当今 发达国家的现代农业奠定了实践依据，美国政府在 1968 年授予 “ 亚洲地区在 20 世纪初也陆续开展了肥料长期定位试验，早在 1926 年日本 央农业试验站布置了水稻连作肥料试验，中国也在 20 世纪70 年代末组织开展了一批长期肥料试验， 80 年代后期，中国在全国 9 个主要类型土壤上建立了“国家土壤肥力与肥料效益长期监测基地网” (同期中国科学院也在全国不同生态区布置了“土壤养分循环和平衡的长期定位试验，到目前为止 ，全国拥有长期肥料试验 200 多个（赵秉强， 2002）。 期施肥对土壤有机碳库的影响 单施有机肥以及有机 在世界各地著名长期试验中，如英国 国伊利诺斯州 麦 都有一致的报道。国内也有 施有机肥或秸杆还田都有利于土壤有机质的积累（李贵华， 1994；史吉平 1998，窦森， 1995；杨长明， 2005）及对保持和提高土壤 平至关重要（杨学明， 2003）的报道。还有厩肥 对土壤中有机碳、氮的积累和增长有明显作用和长久的持续性（沈善敏， 1984；林葆， 2003； 解惠光等 ,1996），其 种类和数量明显地影响土壤有机质含量进而影响土壤有机碳库容 (沈善敏 ,1984)。腐殖质中的碳元素占有机碳库的相当大的比重，腐殖质中最关键的部分是胡敏酸 ,它可以增加土壤吸收性能和保持养分和水分的能力 ,并能促进土壤结构体的形成。有机肥料的长期施用 ,在增加土壤有机质的数量的同时，还可以改善和提高土壤有机质的质量 腐殖质组成 (周广业等 ,1991;等 ,1989; ,1988；杨 学明，2003)，提高土壤有机质、腐殖质及胡敏酸及富里酸碳的含量及土壤胡 /富比值 (史吉平， 2002)且长期施用有机肥或化肥提高了胡敏酸的酚羟基和甲氧基含量 ,降低羧基含量 ( ,1989 ；张夫道， 1996)。还有研究表明仅靠作物根茬为主供碳源 ,对土壤腐殖质品质无积极意义 ,有机无机肥配施对促进土壤腐殖质积累与更新有良好效应 ,胡敏酸与富里酸同时增加 (等 ,1989； 赖庆旺 ， 1991； 1988； 1985 )。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 2 作物秸秆还田也是提高土壤有机碳库的 重要措施， 且与有机物供应量显著正相关(980;990)。采用禾本科、豆科、牧草轮作还田 40 年后，土壤有机质含量平均提高 (1975)。美国密苏里州 (麦连作长期试验资料显示，在采用秸秆还田的 50 年时间里，化肥处理土壤有机碳含量与不施肥处理逐渐升高。 东北黑土用 果表明 ,未来 20 年内 ,作物秸秆还田同时配施有机肥将恢复历史上 使不施用厩肥 ,在氮和氮磷钾处理的同时实施秸秆 还田也将恢复黑土 史损失量的 1/3，也将结束无肥区 持续损失状态（杨学明， 2003）。 连施化肥及撂荒措施对土壤有机碳库的积累和土壤有机质含量的影响，国内外长期试验的结论不一。在英国洛桑试验站 (施用 肥 144 年后土壤有机质含量比对照提高 15%。在美国密苏里州 (连续施 肥 99 年后，比对照降低了 4%. (郭胜利， 2001)。 (1968)从加拿大长期定位试验中也得到类似结果，还有一些关于施用 肥或单施氮肥或磷肥有助于促进 土壤有机碳的积累和土壤有机质含量的提高 (戴万宏， 1999;郑剑英， 1996；吕家珑等， 1998;周广业， 1991；姚炳贵， 1996；党廷辉， 1998；席承藩， 1995)的报道，施用无机化肥可提高富里酸降低胡敏酸的含量（刘树堂， 2005； 史吉平， 2002），而单施氮肥、磷肥、钾肥或施及 施 ,土壤有机质则有所下降或没有增长 (李秀南等 ,1989；窦森， 1995)，有的比对照无肥区还有所降低（陈福兴等， 1991;沈宏等， 1998)。撂荒由于改变了新鲜有机物的输入，致使土壤有机质含量发生显著变化。在英国洛 桑试验站 (土壤由草地改为耕地和撂荒地， 40年后与初始相比，耕地处理土壤有机碳降低了 长期撂荒处理降低了 据吕家珑等长期施肥不种作物 (撂荒 )，土壤有机质含量明显低于使用同量秸秆和化肥每年种植作物的非撂荒处理。施用无机化肥可提高富里酸降低胡敏酸的含量（刘树堂， 2005）。 期施肥对土壤氮库的影响 土壤氮素含量决定于气候、植被与成土条件。据统计，我国耕地土壤 020 层全氮含量平均为 显低于非耕地土壤 g/兆良， 1998)。目前， 我国化肥利用率仅为 ，而发达国家则为 ，欧盟国家的氮肥利用率更是高达 到。国内外长期试验结果表明，长期施用有机肥主要通过影响无机氮库与有机氮库二者的库交换而影响土壤氮对作物有效性 (朱兆良， 1992 )。有机肥配施氮磷钾化肥能增加土壤氮库容及提高氮肥利用率（刘杏兰， 1996；徐明岗， 2002；彭畅， 2004；杨长明 ， 2005），并且长期连续施有机肥，土壤中氮素营养有所富集，使作物在整个生育期可吸收到较充分的氮（志贺， 1981；李实烨， 1986），有效减少氮的淋溶损 失和提高籽粒生产率（朱兆良， 2000；刘方春， 2005），而长期施用化肥对土壤氮素的积累作用不大，例如，英国洛桑试验站 续施氮肥 80 年后，土壤全氮与比对照 (比，提高量最多不超过 10%。国内长期试验资料也得到相似结论 (黄东迈， 1986;林葆等，1994)。有机肥和化学氮肥配施时，矿质氮肥提高了有机肥氮的矿化率，有机肥提高了化肥氮的生物固持率、总利用率和土壤残留率（鲁如坤， 1998）。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 3 壤有机碳库和氮库对生态系统循环和土壤肥力的意义 土壤碳库循环研究是确定陆地生态系统对全球变 化响应时间、方式及规模的有效方法，是认识农、林生态系统生产潜力的重要手段 (苏永中， 2002)。土壤碳库是与各生态系统和群落组成了碳与植物营养元素的主要贮存库和交换库。碳、氮不仅是生物体必需的营养元素，也是重要的生态元素 (2003,王淑平 )，陆地碳循环关系到系统生产力的形成 ,同时也影响到整个地球系统的能量平衡 ,是陆地生态系统结构和功能的综合体现（ 1999；汪业勖， 1999）。据估计(982； 1990）全球土壤有机碳（ 的储量为 14001500陆地植被碳库 (500600 )的 23 倍，是全球大气碳库 (750 )的 2 倍多。由于土壤有机碳贮量的巨大库容 , 因此其较小幅度的变化就可能影响到大气中主要温庢气体 浓度，又因为 温室效应 50 55%（ 1990;997； 990）的高贡献率，从而以温室效应而影响全球气候变化和陆地植被的养分供应状况，进而对陆地生态系统的分布、组成、结构和功能产生深刻影响。 土壤是气候变化的记录者（陈庆强， 1998）。土壤有机碳含量变化与全球气 候变化也有密切关系 (1991)。据估计，地球表面 1m 土层中有机碳储量为 15002000 1 10 1 5 g)，为大气 量的 2 倍左右 (， 1993 )。大气 2 的年通量是燃烧化石燃料贡献量的10 倍，大气 2 浓度升高会导致植物形态、生理、化学特性的变化 ,可能对植物 而也影响到碳循环和土壤潜在的碳储量（ 1990；2000），并且土壤碳、氮的损失可直接导致土壤退化（ 1986），并且在高2 浓度下 ,植物残体质量的变化如植物体 /比的增加可能会使凋落物分解速率更慢 ,影响到长期的碳储存（ 2000）。 土壤有机碳 (含量及其动态平衡也是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标，直接影响土壤肥力和作物产量的高低（ W， 1999）。土壤有机碳的动态在土壤生产力和全球碳循环中起着十分重要的作用。研究表明（ 990； 1997 ； 1999； 997） ,土壤有机碳 含量在很大程度上影响着土壤结构的形成和稳定性、土壤的持水性能和植物营养的生物有效性 (1984)以及土壤的缓冲性能和土壤生物多样性等，缓解和调节与土壤退化及土壤生产力有关的一系列土壤过程。 土壤有机碳库容量与土壤有机质含量存在良好相关性。威廉斯指出有机物质的合成与分解是土壤形成的本质， 他的著作世界的土壤中把“形成土壤者：有机物”作为书中第二章标题，这足以证明土壤腐殖质是组成土壤肥力的核心物质。有机质除了含有许多大量元素和微量元素之外还含有一些简单的有机化合物，如氨基酸、糖等，是植 物矿质营养和有机营养的重要来源，也是形成土壤良好结构不可缺少的因素，能改善土壤的物理、化学和生物学性质。土壤腐殖质不仅是一种稳定而长效的氮源物质，而且它几乎含有作物和微生物所需要的各种营养元素。随着有机质的逐步矿化，这些养分都成为矿质盐类，以一定的速率不断的释放出来，供作物和微生物利用。此外，土壤有机质在其分解过程中，还可产生多种有机酸，它们一方面对土壤矿质部分有一定的溶解能力，促进风化，有利于某些养料的有效化，另一方面还能络合一些多价金属离子，使之保留于土壤溶液中不致沉淀而增加了有效性。 A,在 1999 报道土壤有机质的含中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 4 量随土壤有机碳含量的增加，其他营养元素如有效性 N、 P、 K、 S、 微量元素也增加。农田土壤有机碳库变化取决于有机物质的分解矿化损失和腐殖化、团聚作用累积的动态平衡与土壤物质迁移淀积平衡的统一 (方华军 ,2003)。土壤有机质在土壤中形成的一类特殊的高分子化合物腐殖质，它是组成土壤肥力形成的核心物质（姜岩， 1987），一般占土壤有机碳总量的 6070% (1978； ， 1984)，其在土壤中的存在状况与积累程度，在很大程度上影响土壤的性质和 土壤肥力。土壤腐殖质是新鲜有机物经过微生物利用和分解后的残余部分经化学或生物聚合作用所形成的以芳香族化合物或其聚合物为核心，复合了其它类型有机物质的有机复合体，作为一个整体，其矿化速率是很慢的，但其含氮多的组分，则较易矿化，氮素矿化率可达 46%，而成为作物氮素的主要供源。 影响耕层土壤碳含量有众多因素，耕垦造成的 矿化损失，及富碳表土侵蚀和贫碳亚表土进入耕层 (苏永中， 2002)，因地制宜地实行秸秆还田及增加作物残体再循环量 (1997; R ,1997)和少耕 、免耕措施可以改善土壤环境，增加土壤有机碳含量 (李恋卿等，1999;王淑平等， 2002;武志杰等， 2002;劳秀荣等， 2002;曾木祥等， 2002 )，美国堪萨斯州立大学玉米连作试验也进一步验证了免耕种植对土壤有机碳库的作用 (999)，并同时可以减缓温室气体的释放 ( A et 2001)。 选题依据 世界上黑土的分布区域主要是中纬度地区的平原，包括美国大平原、乌克兰平原和东北平原，总面积 平方公里，占全球总面积的 彭世琪， 2004），且都是世 界上著名的粮食产地。东北黑土区是目前世界上仅有的三大黑土区之一，总面积 平方公里，主要分布在黑龙江和吉林两省中部，占我国黑土总面积的 80%。其中黑龙江省黑土总面积为 公顷，占全省耕地总面积的 吉林省黑土总面积为 公顷，占全省耕地总面积的 黑土是一种肥力高、性状好的耕作土壤，耕地比重大，是大自然赋予人类得天独厚的宝藏，具有不可再生性，在农业生产中占有重大作用，是重要的土壤资源。黑土的成土过程有一个特殊的草甸化过程，低温、湿润的气候条件和原始的草原化草甸植 被 (五花草塘 )累积了丰富的有机质，黑土开垦较晚，自然肥力较高，土质肥沃，土壤结构良好，阳离子交换量大，盐基饱和度高，富含各种植物生长所需的营养元素，而且气候属温带湿润气候区，雨热同季，是我国北方玉米、大豆、小麦的主要产区，也是国家重要的商品粮和畜牧业基地，对东北地区乃至全国经济起着强有力的支撑作用。 随着经济的第二、三产业的迅猛发展，在少投入多产出思想支配下，造成了东北黑土资源掠夺性开发，土壤退化严重、土壤侵蚀加剧，生态环境受到严重破坏，导致黑土层变薄、耕层变浅和土壤肥力下降，其间固然有部分土壤是向着不断培 肥熟化的过程发展，随之而来，表层土壤有机碳总量呈明显下降趋势，其胡敏酸、富里酸、胡敏素含量及年归还土壤有机碳数量也较垦前有所减少（辛刚， 2002），并且黑土有机碳各组分含量随开垦时间增长而下降，至开垦 130 年后其含量基本上保持在同一水平而不再下降，损失主要集中在开垦前 50 年 (于君宝， 2004)，由此引发更为严重的黑土农区的生态危机，已经成为制约耕地生产能力发挥的瓶颈。 土壤碳库、氮库是全球碳循环的重要环节，早在 1931 年世界上就成立了“国际科学联合会”中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 5 (任务之一就是负责跨学科项目的实施 (金峰， 2000)，如国际地圈生物圈计划 (（ 1996），虽然已得到了部分定性与定量的结果，但更需明确碳、氮在各个环节的收支平衡状况。一个多世纪以来，长期肥料试验为指导现代农业的科学发展提供了正确的方向和坚实的基础。吉林省农业科学院于 20 世纪 70 年代末，在吉林省中部重点产粮区的黑土上建立了“黑土土壤肥力和肥料效益长期定位监测试验基地”，开展了黑土资源的保护工作。主要以黑土土壤肥力演变规律和肥料效益监测以及高产土壤的培肥技术为主要研究方向，通过长期定位试验与短期微区和示范试验相结合，对黑土土壤肥 力的演变规律、土壤养分平衡、作物对肥料的反应、施肥对土壤环境和生态环境的影响及土壤培肥技术、植物保护、耕作栽培技术、环境监测等方面进行系统的试验研究。 本试验的开展与研究将进一步明确农田黑土长期施肥条件下有机碳库与氮库的变化动态，为我国黑土农区提供科学、正确的观测数据与平台基础，为建立良好的生态循环体系提供科学的数据支撑。 中国农业科学院硕士学位论文 第二章 材料与方法 6 第二章 材料与方法 验地点的基本情况 然条件： 试验地点位于吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验地内 (东经 124 48 ,北纬 4330 23 )，试验地地势平坦，海拔 220m，年平均气温 45，年最高温度 34，最低温度 无霜期 125140d，有效积温 26003000，年降水量 450600蒸发量 12001600日照时数 25002700h