黑土区玉米秸秆腐解特征及其改土效果的研究

秸秆还田是农田可持续利用的有效措施之一,不仅能减少秸秆焚烧所造成的环境污染,而且可以增加土壤有机质,防止土壤结构退化。然而秸秆还田在不同地区的改土效果也不尽相同,这很可能与当地的气候、土壤性质和秸秆还田方式相关。东北黑土区位于中国高纬度寒温带,全年平均温度不高,在一定程度上限制了秸秆还田的全面推广。为了建立高纬度黑土区不同积温带合适的秸秆还田方式,本论文以黑龙江省适于种植玉米的3个不同积温带的试验点(嫩江、海伦和哈尔滨),系统地研究了试验地点、秸土混合程度、秸秆大小、还田量以及还田深度等因素对玉米秸秆的腐解过程以及改土(微生物群落结构、土壤有机质化学组成以及土壤物理性质)的效果。论文取得的主要进展如下:(1)秸土混合显著提高了秸秆腐解,加速秸秆难降解产物的生成。传统的纯秸秆尼龙网袋法是将纯秸秆放置于尼龙网袋里面,内部不能与网袋外土壤混合;现对传统网袋法进行改进,将秸秆与土壤充分混合后放置于尼龙网袋内。采用两种方法进行秸秆腐解的对比,并探讨了秸秆还田深度、秸秆还田量和大小以及试验点对秸秆腐解的影响。结果表明,秸土混合时秸秆腐解速率常数比纯秸秆提高了18-160%;秸秆还田深度和试验点对秸秆腐解速率常数无显著影响。在腐解过程中,秸秆残体烷氧碳(O-alkyl)、异头碳(anomeric C)相对比例下降;而烷基碳、芳香碳、羰基碳和甲氧基碳/烷基氮官能团增加;秸土混合均使秸秆残体中烷基C、芳香C和NCH官能团的相对比例增加了。此外,不同秸秆还田量和大小的秸秆残留率在腐解前四个月内降低为8%-30%,之后嫩江和海伦地区秸秆残留率基本不变,而哈尔滨地区秸秆残留率数值上有小幅度降低。(2)三个地点的土壤微生物群落结构不同,秸秆与土壤混合均显著增加了土壤微生物总量,改变了土壤微生物群落结构组成,同时促进土壤有机质腐殖化的进程。秸秆还田后革兰氏阳性菌也显著增加。在哈尔滨和海伦试验点,真菌/细菌的比值均随秸秆腐解的时间的增加而降低,而嫩江点相反;革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值随着腐解时间增加而有所增加。秸秆还田后土壤有机质化学组成发生变化:烷基碳(alkyl C)相对比例增加,而羰基碳和芳香官能团(aromatic C–O)的相对比例降低;同时腐解指标(烷氧碳/烷基碳)的比值下降,土壤有机质腐殖化程度加深。随着秸秆还田时间延长,土壤有机质中N–alkyl/methoxyl C、O–alkyl C(OCH)和carbonyl C官能团与微生物群落结构演替过程显著相关。(3)秸秆还田后增强了团聚体稳定性和抗张强度。海伦试验点在秸秆腐解3个月达到最大,而嫩江和哈尔滨试验点在腐解1或2个月达到最大。秸秆还田后三个试验点在第一年玉米生长季内(腐解0–3月)均对团聚体的稳定性和抗张强度起到明显增强的效果,第二年玉米生长季(腐解12–17月)效果降低,但仍有增强效果;海伦试验点比海伦和哈尔滨试验点受秸秆还田影响程度大于嫩江;秸秆还田使大团聚体和游离态轻组有机碳含量变化相对大,而且有机碳主要储存在中微团聚体和矿物结合态的重组组分中。综上所述,在高纬度黑土区玉米秸秆腐解主要受秸秆与土壤接触程度影响;秸秆与土壤充分混合能加速秸秆选择性保留其芳香碳和烷基碳,形成土壤有机质,该过程受到微生物群落结构影响,并促进团聚体形成和粘土矿物结合。秸秆在微生物的驱动下,有利于转化为土壤有机质,从而起到固碳作用,改善土壤性质,维持土壤肥力,实现农田生产的可持续发展。