论文部分内容阅读
黄土高原位于典型的半干旱季风气候区,玉米是该地区的主要粮食作物之一,然而作物生长前期低温干旱通常会导致作物产量偏低。砂石和地膜覆盖可以提高土壤水分和温度,因而可以有效地提高作物产量,目前砂石和地膜覆盖技术已在我国半干旱地区得到广泛应用。地表覆盖可以缓解作物生长水热条件的限制,但可能同时提高土壤有机质矿化速率及微生物活性,因而增加土壤有机质耗竭及土壤质量下降的可能性,维持适宜的土壤有机质水平,对确保粮食安全及缓解气候变暖具有重要意义。地表覆盖会导致土壤理化性质发生显著变化,进而影响到土壤碳氮循环过程。本研究基于5年春玉米田间定位试验,系统分析不同覆盖方式下农田土壤有机碳氮及其组分时空动态变化,旨在探讨不同覆盖方式对旱作农田土壤有机碳氮库的影响。本研究获得以下主要结论:(1)砂石覆盖和地膜覆盖5年后对土壤有机碳含量没有显著影响。与起始有机碳贮量相比,地膜覆盖增加0-40 cm土层有机碳贮量2.0 Mg hm-2。砂石覆盖和地膜覆盖显著影响土壤活性有机碳组分及碳库管理指数。与对照处理相比,4年后砂石覆盖显著降低0-40 cm土层的轻组有机碳、水溶性有机碳及20-40 cm土层微生物量碳含量;地膜覆盖显著降低0-20 cm土层浸提态有机碳含量,但同时显著增加20-40 cm土层轻组有机碳含量17.2 mg kg-1。砂石覆盖降低各土层多年碳库管理指数平均值,而地膜覆盖碳库管理指数多年平均值与对照处理没有显著差异。因此,在我国西北半干旱地区,地膜覆盖可提高作物产量并保持土壤质量。(2)砂石覆盖和地膜覆盖5年后对土壤全氮含量和贮量都没有影响。与对照处理相比,4年后砂石覆盖和地膜覆盖分别显著降低0-20 cm土层轻组有机氮12.2和6.5 mg kg-1,分别显著降低0-20 cm土层浸提态有机氮7.7和9.3 mg kg-1,同时分别显著增加0-20 cm土层水溶性有机氮1.6和1.5 mg kg-1及20-40 cm土层水溶性有机氮1.3和1.2 mg kg-1,此外,砂石覆盖还显著降低20-40 cm浸提态有机氮1.6 mg kg-1,而地膜覆盖显著增加0-20 cm微生物氮19.5 mg kg-1。与砂石覆盖相比,地膜覆盖在提高作物产量及生物量同时,可以进一步提高土壤活性有机氮库。因此,在我国西北半干旱地区,地膜覆盖更有利于实现增加作物产量和改善土壤氮有效性。(3)与全生育期覆膜相比,玉米生育后期揭膜引起水分和温度变化,进而影响活性有机碳氮组分及碳库管理指数变化。试验6年后,生育后期揭膜对土壤有机碳和全氮含量都没有影响。生育后期揭膜处理显著增加20-40 cm土层轻组有机碳0.05 g kg-1、轻组有机氮3.4 mg kg-1和微生物量碳14.7 mg kg-1,然而减少0-20 cm土层轻组有机碳0.24 g kg-1、轻组有机氮20.0 mg kg-1和微生物氮26.1 mg kg-1,对水溶性有机碳氮含量影响差异不显著,但显著增加0-20 cm和20-40 cm土层浸提态有机碳(10.3和2.6 mg kg-1)、浸提态有机氮(19.5和4.6 mg kg-1)和活性有机碳(0.59和0.10 g kg-1),并提高各层土壤库管理指数。因此,在玉米生育后期降雨充足的半干旱地区,生育后期揭膜可以提高作物产量及土壤生产力可持续性。(4)不同覆盖方式及玉米生育后期揭膜对土壤有机氮矿化有显著影响。通过两年生育期及休闲季有机氮田间原位矿化研究,发现砂石覆盖可以显著提高0-40 cm全年净氮矿化累积量7.5 kg N hm-2,而地膜覆盖降低0-40 cm全年净氮矿化累积量7.1 kg N hm-2。全生育期覆膜相比,玉米生育后期揭膜增加0-40 cm全年净氮矿化累积量6.5 kg N hm-2,但差异未达显著水平。与不覆盖处理相比,地膜覆盖处理不会影响生育期内0-40 cm土层土壤供氮能力,却可降低休闲季硝态氮淋溶风险;相反砂石覆盖处理降低生育期内0-40 cm土层土壤供氮能力,而增加休闲季硝态氮淋溶风险。(5)不同覆盖方式及玉米生育后期揭膜在短期内(5-6年)对土壤团聚体分布及稳定性特征有显著影响。与不覆盖相比,砂石覆盖和地膜覆盖处理显著提高0-20 cm土层土壤团聚体数量、分布和稳定性,表现在显著增加机械稳定性和水稳定性大团聚体数量(R0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD),同时显著降低分形维数(D)、团聚体破坏率(PAD)和不稳定团粒指数(ELT),而砂石覆盖和地膜覆盖处理间没有显著差异。玉米生育后期揭膜显著增加0-20 cm土层机械和水稳定性团聚体的MWD值,有利于提高土壤结构的稳定性。综上可见,地膜覆盖及生育后期揭膜可在实现增产同时,提高西北半干旱地区春玉米农田土壤可持续性。