施用秸秆和生物炭对设施菜地土壤团聚体稳定性及碳氮固持的影响

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设施菜地是一种高水高肥、高输入高产出的种植环境,由于化肥的大量施用、作物的连续种植以及不当的耕作方式等原因,导致土壤退化非常严重。为了对退化土壤进行改良并充分利用废弃资源,本文以秸秆和生物炭为研究对象,研究不同有机物料在不同施用量下对设施菜地土壤中团聚体稳定性及碳氮固持的影响。本研究选择北京市昌平区金六环日光温室为试验地点,以生物炭和秸秆为有机物料,设置不同施用量水平,其中秸秆用量的三个水平分别为0 t/hm2(S0)、0.8 t/hm2(S1)、2.4 t/hm2(S2);生物炭用量的四个水平分别为 0 t/hm2(B0)、30 t/hm2(B1)、60 t/hm2(B2)、120 t/hm2(B3),共12个处理。选取0-15 cm与15-30 cm两个土层,研究秸秆与生物炭两种有机物料在不同施用量下对设施菜地土壤团聚体稳定性、碳氮含量、土壤酶活性的影响,并通过分析碳氮在团聚体间的分布特征,探讨两种有机物料对土壤碳氮固持的影响。主要结论如下:(1)施用生物炭与秸秆均能够显著提升0-15 cm与15-30 cm 土层中有机碳(SOC)含量(P<0.05),且SOC含量和生物炭施用量呈正相关,但秸秆及生物炭处理对全氮(TN)并无显著影响。高生物炭水平下(B2、B3),S2秸秆处理对SOC提升最显著(P<0.05),对比S0处理提升了 23%-73%。高秸秆(S2)水平下,B2、B3处理对0-15 cm 土层中SOC含量提升最显著(P<0.05),与B0相比提升104%-109%。施用秸秆提升了易氧化有机碳(EOC)含量,B2水平下S2处理对EOC含量可见显著提升(P<0.05),与S0处理相比增长了 32%;生物炭处理对EOC影响无显著规律。(2)在各生物炭水平下,秸秆处理均提升了 0-15cm 土壤中β-葡萄糖苷酶的活性;生物炭的输入会显著降低0-15 cm 土层中β-葡萄糖苷酶的活性(P<0.05),随秸杆施用量上升,生物炭对酶活性的影响逐渐减弱。(3)在各秸秆施用水平下,随生物炭施用量的上升,2-0.25 mm大团聚体含量均呈先下降(B1处理)后上升(B2与B3处理)的“V”型趋势,0.25-0.05 mm微团聚体含量呈先上升(B1处理)后下降(B2与B3处理)趋势。结果显示高生物炭施用量(B2、B3)提升了 2-0.25 mm的大团聚体含量,低生物炭施用量(B1)则提升了 0.25-0.05 mm的微团聚体含量,随秸秆施用量的上升,生物炭对团聚体的影响逐渐降低。(4)分析MWD、GMD、PAD及R0.25值,发现秸秆处理对团聚体结构的稳定程度的提升主要体现在B3水平下,生物炭对R0.25、GMD的提升以及PAD的降低作用主要体现在S1水平下,因此S1B3(秸秆0.8 t/hm2,生物炭120 t/hm2)处理能最有效的增强团聚体稳定性、改良土壤结构。(5)高生物炭施用量提升了 2-0.25 mm大团聚体中SOC与TN含量,粉粘粒中碳氮含量随生物炭施用量的提升呈下降趋势。随生物炭施用量的提升,团聚体及粉粘粒中EOC含量逐渐下降,随秸秆施用水平的上升,生物炭对EOC影响逐渐增强。为期两年的试验结果显示,施用秸秆以及生物炭都显著提升了土壤SOC含量,对TN与EOC则无显著影响;秸秆的施用能明显提升β-葡萄糖苷酶活性,而施用生物炭会使β-葡萄糖苷酶活性降低;高水平生物炭施用量能显著提升团聚体水稳性;施用生物炭能显著提升2-0.25 mm大团聚体内SOC与TN含量,显著降低了团聚体内EOC含量。研究结果表明,施用生物炭与秸秆均能够有效提升设施菜地土壤中SOC含量、酶活性以及团聚体的稳定性,高水平生物炭处理(B2、B3)有利于大团聚体的形成,低水平生物炭处理有利于微团聚体的形成,可见秸秆与生物炭对设施菜地土壤结构的改良有积极作用。
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