土壤不同初始pH条件下外源植物物料碳氮矿化与碱度释放特征研究
【摘要】土壤酸化是土壤退化的表现形式之一。当前,我国农田土壤酸化现象普遍,且有进一步扩大的趋势。土壤发生酸化后,会导致生物活性降低,作物生产力下降,严重危及我国农业的可持续发展。有关土壤酸化的发生机理及其阻控措施研究也是长期以来土壤学、农学与环境科学等领域的焦点,并取得了大量可喜的进展。秸秆还田是保持和提升地力的重要措施,长期以来广为提倡。为了进一步深入地认识土壤酸化与养分循环(C、N等)过程之间的相互作用效应及机理,本文选取长江中下游地区典型水稻土黄斑田和黄筋泥作为供试土壤,利用电动处理,使之分别形成一定的土壤pH梯度,然后添加不同植物物料进行室内培养,模拟研究了在土壤初始pH不同的条件下植物物料的碳氮矿化过程与碱度释放特征。主要研究结果如下：(1)电动处理对土壤基本理化性质的影响。选取黄筋泥和黄斑田作为供试土壤,对土壤施加电动处理后pH迅速发生改变,在电动反应室内,阳极区土壤pH随通电时间延长而逐渐降低,可低至2左右；阴极区土壤pH则是随通电时间延长而逐渐升高,可高达12以上。伴随土壤pH变化的同时,电动反应室内各区域土壤中的交换性阳离子也发生相应变化,如阳极区土壤,随着pH的降低,交换性A13+浓度急剧升高,交换性Ca2+和Mg2+则显著减少；阴极区土壤,随着pH的升高,交换性Ca2+、Mg2+和K+大量累积,而交换性A13+显著降低。电动处理后土壤交换性Na+浓度没有显著变化(p>0.05)。与未施加电动处理的土壤相比,电动处理后土壤中的NH4+和N03-也有一定的变化,但规律不一。此外,短期(72h)的电动处理对土壤总碳、总氮及土壤颗粒组成等没有造成明显影响。(2)土壤不同初始pH条件下外源植物物料碳矿化特征。在土壤不同初始pH条件下,添加植物物料显著促进了土壤CO2的释放(p<0.05)。不同类型植物物料处理之间的CO2释放速率也存在显著差异(p<0.05),但总体释放特征基本一致,即均在添加初期较高,而后随着培养时间的增加逐渐降低,到培养后期趋于稳定。培养结束后,不同植物物料处理之间CO2累积释放量的差异亦达显著水平(p<0.05),在同等添加量的情况下,紫云英处理CO2累积释放量最高,油菜秸秆处理次之,添加稻草处理最少。总体来说,CO2累积释放量与添加植物物料的C/N比呈负相关关系。土壤初始pH对外源植物物料的碳矿化有显著影响(p<0.05),总的趋势是植物物料碳矿化速率随着土壤pH的升高而提高。(3)土壤不同初始pH条件下外源植物物料氮矿化过程及其对pH的影响。添加植物物料对土壤pH的影响与植物物料本身的组成(如氮浓度、灰分碱含量等)及其在土壤中的分解过程紧密相关。豆科类植物(如紫云英)比非豆科类植物(如稻草、油菜)对酸性土壤的石灰效应更加明显。土壤初始pH是影响土壤pH变化的决定性因子之一,这与土壤pH对不同氮素转化过程有着差异化的影响有关。在低pH土壤环境下,氨化作用并未受到明显抑制,而硝化作用则受到强烈抑制甚至停止。对于酸化程度较深的土壤,施用含灰分碱度高、含氮量高的豆科类植物残体不仅能有效提高土壤pH,而且石灰效应也较为持久。而对于酸化程度较弱的土壤,适当施用一些高C/N比植物物料更有助于减缓土壤酸化进程。(4)不同初始pH条件下添加不同量紫云英对氮矿化和土壤pH的影响。紫云英残体对酸性土壤的石灰效应随着添加量的加大而增强。添加紫云英能有效提高土壤中矿质氮的浓度,但最初1周仍有可能出现氮固定现象。紫云英分解释放的矿质氮在低pH土壤中多数以NH4+-N形态存在,而在初始pH较高土壤中则主要以NO3-N形态存在。在同等添加量条件下,黄筋泥土壤中紫云英残体氮的矿化速率是较高初始pH大于较低初始pH。而黄斑田土壤则相反,紫云英残体在其初始pH较低时氮矿化速率较高。(5)添加植物物料对酸性土壤交换性铝与盐基离子的影响。添加植物物料显著增加土壤中交换性盐基离子(钙、镁、钾、钠)的含量,同时也显著降低了土壤中交换性铝的浓度,具体效果因植物种类而异。本研究中以添加紫云英处理对交换性铝的降低效果最好,一周内黄斑田和黄筋泥原始土壤中交换性铝降幅分别达到100%和52%,添加油菜处理次之,降幅分别为35%和31%,添加稻草处理最弱。施用植物物料降低酸性土壤交换性铝具有时效性。结果表明,添加植物物料半个月内土壤中的交换性铝浓度迅速下降,而这也是土壤pH处于迅速上升的阶段。随后缓慢回升,直到培养结束,交换性铝浓度依旧低于对照处理。络合作用与土壤pH上升是土壤交换性铝降低的两个主要机理,但在不同的酸性土壤中不同机理的重要性也各异。此外,本研究的结果也预示通过调控土壤pH来调节土壤,尤其是农田土壤的氮素转化以减少氮素损失,是一条可行的管理策略。
【作者】肖孔操；
【导师】徐建明；
【作者基本信息】浙江大学，土壤学，2014，博士
【关键词】酸性土壤；土壤初始pH；植物物料；氮矿化；土壤呼吸；碱度释放；
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