化肥减量配施有机肥对稻田湿地碳氮磷淋溶转化及土壤微生物群落变化的影响研究

论文摘要

化肥的过量或不合理施用,势必会威胁农业环境健康,尤其在水稻种植区域,农作物秸秆等有机物料资源化是近年来关注的焦点。本文着眼于农业面源污染防控过程中碳氮磷在稻田水体和土壤中的迁移转化,从源头优化施肥角度出发,开展了田间定位试验和淋溶模拟试验,采用土壤溶液收集装置、高通量测序技术、激发发射矩阵三维荧光配合平行因子解析模型（EEM-PARAFAC）技术等研究了化肥减量及配施常用有机肥（小麦秸秆WS,油菜壳RS,紫云英AS）条件下稻田水体及土壤中氮磷（N、P）迁移淋失规律、温室气体（GHG）排放特征、微生物群落结构变化、溶解性有机物（DOM）荧光组分源解析及其影响因素,试图探寻面源污染的源头防治措施,探究土壤气体排放及微生物的机制,揭示土壤DOM组分变化及其源解析,为稻田节能增效提供理论支撑和科学依据,所得到的主要结论总结如下:（1）在水稻生育期内,田面水总氮（TN）、总磷（TP）浓度均在施肥后第1天达到峰值,后期基本稳定不变,在水稻移栽后57天其平均含量分别降低了94.1%、99.6%,TP径流损失主要以颗粒态磷（PP）为主,约为溶解态磷（DP）的4.5倍,其损失量主要受到降雨等环境因素影响,TP累积淋溶量显著低于径流损失量（p<0.05）,其中化肥减量配施紫云英绿肥（RFAS）有效控制稻田氮磷的损失,在水稻生产中应考虑小麦秸秆和油菜壳的污染效应。（2）外源添加WS、RS、AS能显著提高表层土壤TN、TP和速效磷（AP）含量（p<0.05）,淋溶期间,溶解性有机碳（DOC）淋失量随土壤深度增加而减小,淋溶后期WS、RS、AS逐渐释放DOC可提高表层水中DOC平均含量;表层水TN和TP在淋溶过程中平均浓度呈现下降趋势,至淋溶结束其含量分别降低了75.8%、96.6%,TN、TP淋溶主要发生在0-20cm土层,分别占总淋失量的71.8%、63.3%,RFWS、RFRS、RFAS施肥措施在无降雨、水稻种植的理想条件下促进了氮磷的淋溶损失。（3）RFWS、RFRS、RFAS措施可促进土壤CH4、CO2的排放,抑制N2O的释放,相对于常规施肥（CF）累积排放量降低了25.9-73.7%,在长期淹水淋溶后,外源有机物混施可显著提高0-10cm土壤细菌群落的丰度及多样性,结果表明,变形菌门（Proteobacteria）为土壤细菌群落的优势菌群,RFWS、RFRS、RFAS有较高的群落结构相似度,与空白（CK）、化肥减量（RF）存在显著差异。（4）淋溶土壤DOM含量为0.05-0.14 g kg-1,随土壤深度增加逐渐减小,外源有机物添加可显著提高土壤DOM荧光强度（FI）,增加土壤中荧光组分含量,而254nm吸光度(SUVA254)和斜率（SR）平均值显示,在20-30cm土层土壤DOM存在较高的芳香性和分子量,EEM-PARAFAC解析土壤六种荧光组分分别为短波类腐殖酸组分（C1）、长波类腐殖酸类组分（C2）、类溶解性微生物代谢产物组分（C3）、类芳香族或类蛋白质组分（C4）、类富里酸组分（C5）、类芳香族或蛋白质组分（C6）,其中C1、C2为主要组分相对贡献率56.6%。（5）化肥减量及配施不同温度生物炭（RFBC300、RFBC500、RFBC700）显著增加了CH4和CO2累积排放量,表层水DOC含量与CH4排放通量存在正相关关系,其中低温生物炭（BC300）对N2O排放的抑制效果较好,淹水淋溶后,0-10cm土壤古菌和细菌群落结构丰度增加,与甲烷产生排放相关的Methanomicrobia、Alphaproteobacteria类菌属相对丰度分别为44.6-56.2%、17.1-20.6%,产甲烷菌与甲烷氧化菌的比率变化调节土壤CH4的净释放量。（6）BC300、BC500、BC700的DOM释放量为0.61-1.45 g kg-1,随裂解温度升高,生物炭DOM的芳香组分含量及分子量逐渐降低,模型解析三种荧光组分即类蛋白质或色氨酸物质（C1）、长波类腐殖酸物质（C2）、短波类腐殖酸物质（C3）,并认为其来源为陆源或有机质源,其中DOM中C1和C2相对丰度随裂解温度升高而减小,C3贡献率则逐渐增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 肥料在我国农业生产中的利用
•     1.1.1 化肥在农业中的投入现状
•     1.1.2 有机肥农田施用现状
•     1.1.3 有机无机肥配施的农田效应研究
•     1.1.4 有机无机肥配施对土壤培肥效应研究
•   1.2 稻田土壤中碳氮磷的迁移转化机理
•     1.2.1 稻田土壤碳的迁移转化
•     1.2.2 稻田土壤氮的迁移转化
•     1.2.3 稻田土壤磷的迁移转化
•     1.2.4 氮磷损失的主要防控措施
•   1.3 化肥减量配施有机肥对稻田湿地环境的影响
•     1.3.1 化肥减量配施有机肥对稻田养分径流损失的影响
•     1.3.2 化肥减量配施有机肥对稻田养分渗漏损失的影响
•     1.3.3 化肥减量配施有机肥对稻田温室气体排放的影响
•     1.3.4 化肥减量配施有机肥对稻田土壤微生物群落结构的影响
•   1.4 氮磷流失研究方法概述
• 第二章 研究内容与方法
•   2.1 研究目的与意义
•   2.2 研究内容
•     2.2.1 化肥减量配施有机肥对稻田湿地碳氮磷迁移转化影响
•     2.2.2 化肥减量配施有机肥对稻田土壤氮磷迁移转化机理
•     2.2.3 化肥减量配施有机肥对水稻土温室气体排放及细菌群落结构影响研究
•     2.2.4 淋溶事件对不同层次土壤DOM光谱特性影响研究
•     2.2.5 化肥减量配施不同裂解温度麦秆生物炭对稻田土壤温室气体排放及微生物群落结构影响研究
•     2.2.6 不同裂解温度麦秆生物炭光谱特性研究
•   2.3 主要研究体系及技术方法
•     2.3.1 田间微区试验
•     2.3.2 土柱淋溶模拟试验
•     2.3.3 高通量测序技术
•     2.3.4 紫外-荧光联合平行因子解析技术
•     2.3.5 数据处理与统计方法
•   2.4 技术路线
• 第三章 化肥减量配施有机肥对稻田湿地氮磷迁移转化影响研究
•   引言
•   3.1 研究区概况
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 试验设计与处理
•     3.2.2 傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer,FITR）表征
•     3.2.3 样品采集与测定
•     3.2.4 磷素损失风险预测方法
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 有机物料FITR特征分析
•     3.3.2 化肥减量配施有机肥对稻田田面水氮素动态变化的影响
•     3.3.3 化肥减量配施有机肥对稻田田面水磷素动态变化的影响
•     3.3.4 化肥减量配施有机肥对稻田渗漏水TN动态变化的影响
•     3.3.5 化肥减量配施有机肥对稻田渗漏水总磷及磷素损失统计分析
•   3.4 讨论
•   3.5 小结
• 第四章 化肥减量配施有机肥对水稻土碳氮磷淋溶影响研究
•   引言
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 淋溶试验装置
•     4.1.2 试验设计与处理
•     4.1.3 样品的采集与测定
•   4.2 结果与分析
•     4.2.1 化肥减量配施有机肥对水体中DOC浓度的影响
•     4.2.2 化肥减量配施有机肥对表层水TN动态变化影响
•     4.2.3 化肥减量配施有机肥对渗漏水TN动态变化影响
•     4.2.4 化肥减量配施有机肥对表层水TP动态变化影响
•     4.2.5 化肥减量配施有机肥对渗漏水TP动态变化影响
•     4.2.6 淋溶结束后剖面土壤理化性质变化
•   4.3 讨论
•   4.4 小结
• 第五章 化肥减量配施有机肥对水稻土温室气体排放及细菌群落结构影响研究
•   引言
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 试验设计与处理
•     5.1.2 样品的采集与测定
•     5.1.3 土壤微生物群落分析
•   5.2 结果与分析
•     5.2.1 化肥减量配施有机肥对水稻土温室气体排放影响
•     5.2.2 化肥减量配施有机肥对表层土壤细菌群落结构变化影响
•   5.3 讨论
•   5.4 小结
• 第六章 淋溶事件后土壤溶解性有机物光谱特征研究
•   引言
•   6.1 材料与方法
•     6.1.1 试验设计与处理
•     6.1.2 土壤溶解性有机物组分源解析
•   6.2 结果与分析
•     6.2.1 淋溶事件对土壤DOM含量的变化影响
•     6.2.2 土壤DOM紫外可见参数变异
•     6.2.3 土壤荧光参数变异
•     6.2.4 EEM-PARAFAC解析土壤DOM
•     6.2.5 组分物质的荧光强度分布
•     6.2.6 荧光组分物质相对贡献率
•   6.3 讨论
•   6.4 小结
• 第七章 化肥减量配施小麦秸秆生物炭对水稻土温室气体排放及微生物群落结构影响研究
•   引言
•   7.1 材料与方法
•     7.1.1 试验装置
•     7.1.2 生物炭的制备及其理化性质
•     7.1.3 试验设计
•     7.1.4 样品的采集与测定
•     7.1.5 土壤微生物群落分析
•   7.2 结果与分析
•     7.2.1 化肥减量配施有机肥对水稻土温室气体排放影响
•     7.2.2 化肥减量配施不同温度生物炭对表层土壤微生物群落结构变化影响
•   7.3 讨论
•     7.3.1 化肥减量配施不同温度生物炭对水稻土温室气体排放影响
•     7.3.2 化肥减量配施不同温度生物炭对水稻土壤微生物群落结构影响
•   7.4 小结
• 第八章 不同裂解温度生物炭及土壤的光谱特征分析
•   引言
•   8.1 材料与方法
•     8.1.1 试验装置
•     8.1.2 试验设计
•     8.1.3 生物炭FITR表征
•     8.1.4 生物炭溶解性有机物光谱特征
•   8.2 结果与分析
•     8.2.1 不同裂解温度生物炭FITR特征
•     8.2.2 不同裂解温度生物炭光谱特征分析
•   8.3 讨论
•   8.4 小结
• 第九章 结论与展望
•   9.1 主要结论
•   9.2 可能的创新点
•   9.3 存在的问题与研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高佳凯

导师: 吕家珑

关键词: 化肥减量配施有机肥,淋溶,温室气体,土壤微生物,平行因子解析模型

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,环境科学与资源利用,农业基础科学,农艺学

单位: 西北农林科技大学

基金: 陕西省科技统筹创新工程计划项目(2016KTZDNY03-01),陕西省水利科技项目(2016slkj-15)

分类号: X52;S154.3

总页数: 127

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