在农田生态系统中,人为管理措施诸如耕作体系、有机、及无机物质输入等,都直接地决定和影响着土壤的有机碳库的平衡、土壤结构状况及作物生长发育。这直接影响着全球碳平衡和土壤质量,也影响着作物生长、产量以及水分利用效率等,是全球普遍关注的问题。本研究包括三大部分:第一部分,不同耕作措施对土壤结构和有机碳储量影响的研究。采用始于2002年的不同耕作+秸秆还田长期定位大田试验。包括深松、旋耕、免耕与对应的秸秆还田措施,以及传统耕作七个处理。研究不同耕作措施对土壤结构稳定性、颗粒有机碳(POC)分布、土壤有机碳(SOC)储量、作物产量等指标的影响。第二部分,生物质炭和秸秆碳在等碳量添加条件下对土壤有机碳、酶活性和小麦生长影响的研究。采用盆栽培养试验,研究生物质炭和秸秆碳等碳量添加条件下,不同添加水平对土壤水稳性团聚体、活性有机碳组分、有机碳官能团、酶活性和酶动力学、以及对作物生长指标的影响。生物质炭添加水平为0.8%、2.4%、8.0%(BC0.8、BC2.4、BC8.0),秸秆的添加水平为1.0%、3.0%、10.0%水平(Str1.0、Str3.0、Str10.0),以及无外源碳输入的对照(CK)共七个处理。第三部分,生物质炭和秸秆碳等碳量添加条件下矿化及周转规律研究。通过室内培养试验,研究不同外源碳在等碳量添加条件下,土壤有机碳库的矿化规律,并利用双碳库指数模型进行拟合,探明不同外源碳输入下土壤有机碳的转化机理以及及有机碳库的动态变化规律。研究取得的主要结果和进展如下:(1)揭示了关中地区塿土上不同保护性耕作措施下土壤结构、有机碳及作物生长情况的变化,发现深松+秸秆还田处理有效增强了土壤结构的稳定性及有机碳的累积,是适合研究区域生态环境条件的合理耕作模式。(1)研究了不同耕作措施对土壤容中的影响,发现深松及旋耕模式,促进了0-10、10-20、20-30 cm土层土壤与有机物质的混合,使得土壤容重相对于免耕较小,有助于犁底层的减少。免耕模式主要增加了0-10和10-20 cm土层的土壤容中,相对于传统耕作平均增加了11.3%-16.9%,且以免耕+秸秆还田模式增加幅度较大。(2)探明了不同耕作措施对土壤结构的影响。不同耕作模式对土壤的扰动深度和强度不同,对土壤水稳性团聚体(WSA)分布的影响也有所不同。深松模式对于土壤结构体的影响主要集中在10-20 cm的亚表层土壤中,且主要增加了0.25-2 mm粒级的团聚体含量,相对于传统耕作,土壤WSA 0.25-2 mm组分增加了5%。旋耕模式对土壤结构体的影响则主要集中在10 cm左右土壤深度,WSA 0.25-2 mm粒级团聚体含量则降低了6%,且随着土壤深度的增加,下降趋势明显。免耕模式对土壤结构体的影响则集中在0-10cm的表层土壤中,与传统耕作相比,免耕模式(nt)下wsa<0.05mm显著降低了18%,而wsa>2mm却增加了98%。(3)揭示了不同耕作措施对土壤有机碳累积的影响。研究表明,深松、旋耕、免耕模式都增加了土壤soc的储量,相对于传统耕作,0-30cm的土壤soc储量平均增加了15%。深松、旋耕、免耕也增加了土壤poc含量;深松+秸秆还田模式下,表层土壤poc含量相对于传统耕作,增加幅度最大(36.9%);旋耕模式次之,增加30%;免耕模式则增加27%。土壤结构体中的易氧化有机碳含量(pom-ooc、wsa-ooc)在旋耕和深松模式下都显著增加了25%-36%,在免耕模式下pom-ooc变化不显著。土壤结构体中活性有机碳(pom-aoc)含量随土壤深度的增加逐渐降低;在表层土壤中,深松和旋耕模式相对于对照处理,pom-aoc平均增加了30%;免耕模式对于pom-aoc变化的影响则主要取决于秸秆还田与否。(4)探明了不同耕作措施下的作物产量和水分利用率变化。保护性耕作措施(深松、旋耕、免耕及秸秆还田措施)促进了作物产量的增加。深松+秸秆还田模式下的年际水分利用效率最高,相对于对照平均提高了16.4%。旋耕+秸秆还田、免耕+秸秆还田模式处理年际水分利用效率平均分别提高了10.5%和7.9%。相对于秸秆不还田处理,秸秆还田处理下则具有更高的土壤水分利用效率。(2)通过小麦盆栽试验,对不同外源碳添加下土壤结构体、有机碳活性等进行了研究,发现生物质炭添加相对于秸秆具有更强的固碳能力,适当的生物质炭输入(如2.4%输入水平),具有最佳的土壤结构改善效果。(1)探明了添加生物质炭和秸秆碳输入对土壤结构体分布的影响。土壤大颗粒团聚体含量(>0.25mm)在bc2.4和bc8.0处理下,相对于对照,分别增加了16.9%和45.8%,达显著水平;在土壤结构体的胶结方面,生物质炭输入土壤后,与>0.25mm粒级的大颗粒团聚体相互作用远远高于与小颗粒团聚体。秸秆输入显著增加了土壤中更大粒级(>2mm)的团聚体分布,相对于对照处理,土壤大颗粒团聚体在str1.0,str3.0,str10.0处理下,依次分别显著增加了65.1%,136%,208%。(2)研究了添加生物质炭和秸秆碳输入对土壤有机碳组分的影响。相对于对照处理,生物质炭输入条件下,土壤有机碳含量(soc)平均增加了13.2%-155.1%(bc0.8<bc2.4<bc8.0)。生物质炭少量添加(0.8%和2.4%)则增加了土壤微生物量碳含量(mbc),但却不利于溶解性有机碳(doc)在土壤中的累积;生物质炭的过量添加则呈现相反的变化。秸秆添加条件下,土壤有机碳含量(soc)平均增加了8.6%-68.6%(str1.0<str3.0<str10.0)。秸秆输入下土壤doc的变化规律与生物质炭处理相反,土壤doc在小麦各生育期增加了21.7-411%,且增加的幅度与秸秆碳输入量成正比。(3)研究了不同外源碳添加下土壤酶活性及酶动力学参数变化。(1)探讨了对土壤脲酶活性的影响。生物质炭添加对土壤脲酶活性呈现先激发后抑制的规律。其中,在小麦开花期,bc0.8、bc2.4、bc8.0相对于对照依次显著降低了29.2%、27.8%、32.8%。秸秆碳添加在小麦各个生育期,土壤脲酶活性增加了26.0%-190.3%。(2)研究了对土壤转化酶活性的影响。生物质炭适量添加可以促进土壤转化酶活性的增加,相对于对照,土壤转化酶活性显著增加了6.9%-32.8%。然而过量的生物质炭添加,则会产生一定是的抑制作用,在bc8.0处理下,小麦成熟期土壤转化酶活性显著降低了6.7%。秸秆添加对土壤转化酶活性的影响,则取决于土壤中有机物的分解程度,当有机物质腐解程度达到最高峰时,土壤转化酶活性最大。其中,当在小麦拔节期时,此阶段低量秸秆输入下的秸秆腐解基本完全,转化酶活性在str3.0处理显著增加了33.5%,而str10.0和str1.0处理则显著降低了21.8%和25.9%。随着秸秆的不断分解,在小麦开花期,str10.0处理下转化酶活性显著增加了10.0%,str1.0和str3.0则下降了3.7%和4.5%。(3)探明了对土壤过氧化氢酶活性的影响。生物质炭输入条件下,相对于对照,过氧化氢酶的活性显低了4.0%-11.6%,且随着生物质炭的添加量增大,对土壤中过氧化氢酶活性的抑制作用增强。秸秆添加后,过氧化氢酶活性在不同生育期呈现先增加后降低的趋势,变化幅度与秸秆添加量有关。其中,在小麦抽叶期,相对于对照,土壤过氧化氢酶活性依次分别显著增加了5.6%、7.3%、8.9%,但在开花期则分别下降了5.5%、3.8%、3.1%。(4)探讨了对酶动力学参数的影响。生物质炭添加促进了土壤脲酶-底物复合体的形成,增大了土壤中脲酶酶促反应的潜在容量。而在秸秆输入条件下,低量输入水平(3%),土壤脲酶与底物的亲和力最大,且土壤脲酶潜在容量甚至高于生物质炭添加。生物质炭或秸秆添加都明显增加了土壤转化酶和底物的亲和程度。(4)研究了不同外源碳添加下土壤有机碳官能团化学组成稳定性。红外光谱表明,生物质炭和秸秆碳输入,改变了土壤不同有机碳官能团的组成比例,即化学组成稳定性。其中,生物质炭添加,是土壤芳香族c-h碳、芳香族胺基、芳香酮、酯类等碳的主要来源;而秸秆碳添加,则是土壤中烯烃类碳,以及土壤中多糖的主要来源。(5)通过室内培养试验,探讨了生物质炭和秸秆碳添加下有机碳的矿化规律。在相同c量的生物质炭和秸秆碳输入条件下,秸秆增加了土壤co2的累积释放量;相对于ck处理,秸秆处理str1.0、str3.0及str10.0其co2累积释放量依次分别增加了139.50%、378.22%及631.03%。生物质炭的适量添加(0.8%、2.4%)可以降低土壤co2的释放,其中在培养210d后,bc0.8和bc2.4处理下,co2累积释放量相对于ck分别降低了5.04%和8.08%。过量的生物质炭添加(8.0%)则会明显增强土壤co2的排放,在bc8.0处理下,co2累积释放量相对于ck增加了26.19%。(6)研究和揭示了不同外源碳添加下对作物生长的影响。(1)不同外源碳添加对作物光合及蒸腾作用的影响。随着小麦的生长,生物质炭输入显著增加了作物的光合和蒸腾作用。其中,在小麦生长旺盛的开花期,与对照相比,施用BC0.8、BC2.4和BC8.0小麦净光合速率依次分别增加44.9%、66.1%和53.9%,其中施用BC2.4效果最显著。在开花期BC0.8和BC2.4分别增加了小麦蒸腾速率9.6%和21.3%,但是BC8.0使其降低了27.3%。秸秆在少量输入(1.0%和3.0%)条件下,会促进作物的光合作用,而过量输入(10%)则会抑制作物的生长发育,且抑制作用强度随秸秆添加量的增加而增大。(2)不同外源碳输入对小麦产量的影响。生物质炭输入可以显著促进作物生长和产量的增加,而其大量输入则会产生一定的抑制作用。其中,BC0.8和BC2.4分别增加了小麦蒸腾速率9.6%和21.3%,但是BC8使其降低了27.3%。秸秆的过量添加会严重抑制作物的生长和产量的提高。其中,相对于对照,Str1显著增加了6.0%的小麦产量,而Str3和Str10处理则使小麦产量分别显著降低了37.3%和90.1%。(7)分析了田间耕作以及外源碳添加两个系统下土壤结构、有机碳、以及生物指标的相关关系。(1)在不同耕作模式管理系统中,土壤中POC含量的累积增加,会促进土壤中大颗粒团聚体的形成;POM-AOC相对于POC和OOC两个指标,在评估耕作方式对土壤结构产生影响方面,具有更高的灵敏度。POC含量与土壤0.25-2 mm水稳性团聚体(WSA0.25-2 mm)显著相关。颗粒有机物中活性有机碳的含量(POM-AOC)与土壤POC及<0.05 mm粒级团聚体中活性有机碳的含量(WSA-AOC)显著相关。(2)在不同外源碳输入体系中,土壤结构指标、有机碳指标及生物指标间的相关性分析表明:在生物质炭输入条件下,土壤性状的改善主要是通过激发土壤中过氧化氢酶的活性,进而增加了土壤中活性碳库的储量及>0.25 mm粒级水稳性大颗粒团聚体的累积;而对于作物生长的影响作用则与转化酶活性有关。其中,土壤中脲酶、过氧化氢酶活性与水稳性大颗粒团聚体显著正相关。作物净光合速率、叶绿素、产量与土壤脲酶、过氧化氢酶活性呈显著负相关关系。在秸秆碳输入条件下,则主要增加了土壤中>2 mm粒级大颗粒团聚体的形成,并将活性碳素紧紧包裹在该粒级结构体中。土壤脲酶活性的增强与作物生长之间存在对N素的竞争加剧,不利于作物干物质的积累。秸秆添加后,土壤中仅>2 mm粒级团聚体与活性有机碳组分MBC、DOC极显著正相关。小麦净光合速率、叶绿素、产量与土壤中脲酶活性呈显著或极显著负相关关系。