發(fā)布時(shí)間：2017-12-12 17:37

  本文關(guān)鍵詞：長(zhǎng)期施氮對(duì)旱作麥田土壤碳庫(kù)平衡及其穩(wěn)定性影響機(jī)制

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【摘要】：農(nóng)田土壤碳庫(kù)是全球碳庫(kù)中最為活躍的部分,氣候條件和管理方式對(duì)其影響很大,它不僅可以改變土壤肥力,而且還影響著區(qū)域乃至全球的碳循環(huán)。目前,增施氮肥是旱地農(nóng)業(yè)提高作物產(chǎn)量的主要途徑之一,外源氮素的添加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有著重要的影響,因此,明確長(zhǎng)期施氮對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳素循環(huán)的改變具有重要理論意義。本項(xiàng)研究針對(duì)旱作農(nóng)田生產(chǎn)力提升中的生態(tài)學(xué)與環(huán)境科學(xué)前沿問題,以冬小麥群落為研究對(duì)象,在長(zhǎng)期施氮十年的基礎(chǔ)上,研究了不同施氮量對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響。研究明確了小麥群落碳平衡對(duì)不同施氮水平的響應(yīng);揭示了氮添加對(duì)小麥群落土壤呼吸組分的影響機(jī)制;闡明了長(zhǎng)期施氮對(duì)土壤有機(jī)碳物理化學(xué)穩(wěn)定性影響機(jī)制;探討了土壤微生物群落多樣性對(duì)長(zhǎng)期施氮的響應(yīng)機(jī)制,闡明了施氮對(duì)土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性影響的生物學(xué)機(jī)制。研究結(jié)果可為預(yù)測(cè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)氮添加的響應(yīng)提供理論依據(jù),為指導(dǎo)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展,建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供重要的理論支持。本研究主要取得的結(jié)論如下:(1)長(zhǎng)期適宜施氮可以提高麥田植被碳庫(kù)與土壤碳儲(chǔ)量麥田植被碳庫(kù)范圍在3.47~6.0 Mg C hm-2之間,施氮可以提高小麥產(chǎn)量和固碳能力;在豐水年,180 kg hm-2施氮量即可達(dá)到較高產(chǎn)量和固碳量,而在干旱年,抗旱品種在270kg hm-2施氮量下產(chǎn)量和固碳量較高;植被碳庫(kù)與施氮量存在閾值效應(yīng),過量施氮對(duì)增產(chǎn)和提高植被碳庫(kù)無益,本研究的施氮量閾值為270 kg hm-2;長(zhǎng)期施氮影響了0-120cm土層的碳氮含量,從而影響了土壤碳氮儲(chǔ)量;施氮十年后,施氮量低于270 kg hm-2的處理土壤碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為增加,而在施氮量為360 kg hm-2的處理中土壤碳庫(kù)表現(xiàn)為減少;在所有處理中,長(zhǎng)期施氮后土壤氮儲(chǔ)量都表現(xiàn)為降低。研究結(jié)果可以為本區(qū)域選擇適宜施氮量從而提高植被和土壤固碳能力提供理論依據(jù)。(2)不同組分碳氮含量在不同土層對(duì)長(zhǎng)期施氮的敏感性不同土壤中不同穩(wěn)定性碳氮組分在不同深度土層中對(duì)氮添加的響應(yīng)不同,長(zhǎng)期施氮通過改變土壤中不同碳氮組分進(jìn)而影響到整個(gè)土壤碳氮庫(kù)的變化。輕組分和重組分碳氮含量在不同施氮處理中差異不顯著;在20-200cm土層中可溶性碳在較高氮處理(施氮量為180,270和360 kg hm-2)中顯著降低,易氧化碳在90 kg hm-2施氮量處理中含量較高,之后隨著施氮量的增加而降低;可溶性氮和無機(jī)氮隨著施氮量的增加而增加,其中硝態(tài)氮對(duì)氮添加敏感性較高;輕組分碳氮和易氧化碳在表層土壤中較敏感,而可溶性碳和氮在深層土壤中表現(xiàn)的更加敏感。(3)長(zhǎng)期施氮改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和碳氮循環(huán)功能土壤微生物物種豐富度指數(shù)與多樣性指數(shù)隨著施氮量的增加而逐漸降低,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變,這與土壤理化性質(zhì)(土壤全氮、可溶性氮、硝態(tài)氮、容重和土壤有機(jī)碳)的改變相關(guān);本研究中,土壤理化性質(zhì)的改變可解釋61.7%的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的改變和66.7%的真菌群落結(jié)構(gòu)改變;長(zhǎng)期施氮提高了細(xì)菌與真菌的比例,改變了微生物活性,影響了微生物碳素與氮素利用效率比(CUE:NUE);高施氮處理下特定的微生物類群豐度發(fā)生了顯著變化,這些群落結(jié)構(gòu)的改變與微生物活性變化呈顯著相關(guān)關(guān)系;此外,本研究中施氮量180 kg hm-2 year-1是微生物活性從促進(jìn)到抑制的一個(gè)閾值。(4)氮添加通過改變土壤異養(yǎng)呼吸與總呼吸比例來調(diào)控土壤碳排放量麥田土壤碳排放量范圍在1.73~3.28 Mg C hm-2之間,在不同施氮處理中,180 kg hm-2施氮量處理總排放量較高,根系累積排放量也較大;異養(yǎng)呼吸在施氮處理中較低;氮添加通過改變根系呼吸與總呼吸的比例從而改變土壤總呼吸,長(zhǎng)期過量施氮與不施氮處理的土壤呼吸速率沒有顯著差異;土壤呼吸及其組分季節(jié)動(dòng)態(tài)受到生物因素(葉面積指數(shù)、葉片光合)與非生物因素(土壤溫度、土壤濕度)的調(diào)控;農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中存在土壤呼吸與土壤溫度日變化解偶聯(lián)效應(yīng),不同施氮處理中作物光合能力不同,從而導(dǎo)致土壤呼吸日變化的不同。(5)氮添加能提高小麥生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力,土壤碳平衡受到施氮量與水分的共同調(diào)控從碳素固定與排放的角度衡量黃土區(qū)旱作麥田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡狀況,小麥生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力(NEP)為正值,表明黃土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2的“匯”;三年生長(zhǎng)季小麥群落在不施氮處理中凈生產(chǎn)力為1917~4341 kg C hm-2,施氮處理為4721~10134 kg C hm-2;增施氮肥在豐水年能顯著提高小麥生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力;從碳輸入與排放的角度考慮土壤碳平衡,麥田土壤在不超過適宜施氮量(180-270 kg hm-2)的處理中,長(zhǎng)期施氮后表現(xiàn)為碳積累;土壤碳平衡受到土壤水分和氮素的共同調(diào)控,在豐水年過量施氮(360 kg hm-2)會(huì)導(dǎo)致土壤碳虧缺,從而在施氮十年后土壤碳庫(kù)表現(xiàn)為碳儲(chǔ)量減少。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S153.6
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本文編號(hào)：1283376