【摘 要】
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气候变化已影响我国北方地区的农业生产,以夜间增温明显的春冬非对称增温与冬小麦生产基本重叠,而部分农田土壤也遭受到铜等重金属污染。农田土壤作为重要的碳氮库,其对气候变化与重金属铜污染的响应特征对于预测农田土壤碳氮固存与评价气候环境变化的影响极其重要。然而当前针对气候变化与重金属铜污染双重因素作用下的农田土壤碳氮库变化特征尚不清楚。本文基于河南科技大学农场开展的夜间增温和铜污染双因素定位试验开展麦田土
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气候变化已影响我国北方地区的农业生产,以夜间增温明显的春冬非对称增温与冬小麦生产基本重叠,而部分农田土壤也遭受到铜等重金属污染。农田土壤作为重要的碳氮库,其对气候变化与重金属铜污染的响应特征对于预测农田土壤碳氮固存与评价气候环境变化的影响极其重要。然而当前针对气候变化与重金属铜污染双重因素作用下的农田土壤碳氮库变化特征尚不清楚。本文基于河南科技大学农场开展的夜间增温和铜污染双因素定位试验开展麦田土壤碳氮库研究。该定位试验中,夜间增温设置2个温度水平(NT和HT)借助开放式被动增温系统进行,铜设置4个含量水平(CK、LP、MP、SP)。通过在2020-2021年小麦(周麦27)生长关键时期采集耕层土壤样品,分析了土壤团聚体构成、土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、各级土壤团聚体中有机碳和氮的含量及积累量,以期明确研究铜污染麦田土壤的碳、氮库储量及其在团聚体中的分布对夜间增温的响应特征。主要结果如下:(1)铜污染土壤在经过多年小麦种植后,其团粒主要分布在2-0.25 mm和0.25-0.053 mm两个粒级;随着铜浓度的增加,大团聚体(>2 mm和2-0.25 mm)的含量呈现先升高后降低的态势,而小团聚体(0.25-0.053 mm)和微团聚体(0.25-0.053mm)则呈现出先降低后升高的态势;夜间增温作用会使大团聚体分解,增加微团聚体含量。低的铜浓度会增加大团聚体含量,但随着铜浓度增加会使大团聚体含量降低,而增温会使其含量进一步降低,但趋势保持不变,而LP会有所减缓。(2)经过多年铜污染影响后,土壤总有机碳储量随着铜浓度增加呈现出先升高后降低的态势,在LP时最高,CK时最低,其中LP、MP相对于CK显著增加5.05%、2.33%,而SP增加了0.97%但无显著性差异;夜间增温作用降低了土壤总碳储量,但随着土壤铜浓度增加作用效果逐渐减弱。(3)低浓度铜会使土壤氮含量增加,但高浓度铜会使其降低。LP、MP显著提高土壤全氮量,收获后土壤全氮相对于种前显著增加了13.33%~19.41%。夜间增温会使土壤全氮储量增加;增温作用下,随着铜浓度增加,各处理整体呈现出先升高后降低的态势其氮储量增加了0.31%~6.92%,其中在收获后的LP、SP时分别显著增加了6.92%、3.27%;收获后土壤全氮储量相对于种前各处理显著增加12.90%~21.43%。(4)在各粒级团聚体中,碳、氮分布保持着近乎一致的规律,主要分布在2-0.25 mm和0.25-0.053 mm粒径中;随着铜浓度的增加,大团聚体(>0.25 mm)中碳、氮储量呈现出先升高后降低的态势,小团聚体(<0.25 mm)中碳、氮储量呈现出先降低后升高态势;低浓度的铜提高了大团聚体(>0.25 mm)中的碳、氮储量,降低了小团聚体(<0.25 mm)中的碳、氮储量,而中高浓度的铜则表现出相反的趋势;在夜间增温作用下各处理大团聚体中碳、氮储量降低,微团聚体中呈增加态势;不同铜含量土壤在夜间增温作用下,依然保持大团聚体中储量减少,微团聚体中储量增加,但在LP时负效应相对较弱。(5)夜间增温提高了低铜含量土壤碳稳定性,降低了其土壤氮的稳定性。在20℃恒温培养下,常温土壤碳含量变化幅度大于夜间增温土壤,NTLP变幅最大,稳定性最差,而HTLP变幅最小,稳定性最强;土壤无机氮的增加幅度而言,土壤铜含量提高了无机态氮的累积量,降低了土壤氮素的稳定性,增温也如此,但两者共同作用下,LP变化幅度最大,对氮素稳定性降低幅度更大。本研究通过对夜间增温作用下的铜污染麦田土壤团粒结构、土壤有机碳库、氮库、土壤碳氮在团聚体中的分布状况及其稳定性的研究,明确了铜污染麦田土壤碳氮库对夜间增温的响应特征,为环境变化的将来农田土壤固碳减排、氮的高效利用提供参考依据。
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