农作措施对春玉米农田土壤有机碳影响机制研究

针对内蒙古西辽河平原春玉米农田土壤有机碳含量下降，土壤肥力持续降低，急需系统的固碳增产农作技术体系等问题，本研究通过施肥措施、种植密度、耕作方式、深松方式和高、中、低产田增碳培肥等5个连续3年的田间定位试验，利用碳素分组方法、有机碳分组方法和溶解性有机物三维荧光光谱法等分析方法，从酶学和生物学方面运用定性与定量相结合的研究方法，系统分析了连续3年不同农作措施下土壤碳素、有机碳、有机碳组分的含量变化、1个春玉米生长期内土壤有机碳的动态变化特征，揭示土壤酶活性和春玉米生长对土壤有机碳的影响机制，阐明不同有机碳组分的肥力指示意义，探讨不同农作措施对春玉米产量和土壤有机碳的影响，结合区域特点并综合前人研究，建立指示该区域土壤肥力的有机碳组分评价指标体系及模型，确定该区域适宜的农作措施体系。研究结果如下： 施肥改善了土壤营养状况，影响土壤碳素的输入和耗损的动态平衡。施肥与不施肥相比，土壤有机碳含量增加了4.71%34.84%。施用有机肥比施用无机肥使土壤碳素增加了6.24%20.08%；增施氮肥和有机肥对土壤的增碳作用显著。施肥主要使表层土壤有机碳增加，随着土壤深度的增加施肥的增碳作用减小。施磷肥提高玉米生长前期土壤有机碳含量，降低玉米生长后期土壤有机碳含量；施氮肥能够增加玉米全生育期内土壤有机碳含量。施用有机肥特别是有机无机肥配施明显增加土壤有机碳含量。 随着种植密度的增加土壤中碳素含量呈先增后降的趋势，有机碳含量呈先降后增趋势，土壤无机碳含量呈上升趋势。低密度有利于犁底层土壤有机碳的累积，高密度有利于耕层土壤有机碳的累积。高密度在玉米生育前期增加表层土壤有机碳含量，生育后期增加耕层土壤有机碳含量；低密度在玉米生育前期促进犁底层有机碳的耗损。不同耕作方式与传统耕作方式相比，土壤有机碳含量增加了0.45%3.73%。免耕能够增加春玉米农田土壤有机碳含量，免耕深松能够增加耕层土壤有机碳含量，深松可以增加犁底层土壤有机碳含量。免耕深松是该区春玉米高产增碳的耕作方式。不同深松方式与传统耕作相比，土壤有机碳增加了1.04%7.21%，深松30cm土壤碳素和有机碳均增加，深松30cm比深松40cm土壤增加有机碳效果显著，秋深松比春、夏深松增加土壤有机碳效果显著。该区春玉米高产增碳的深松方式是秋季深松30cm。 有机无机肥配施对高、中、低产田各层土壤中有机碳、活性有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳含量平均增加了0.16%、15.82%、48.83%、9.36%和9.32%。有机无机肥配施能够显著增加土壤活性有机碳含量，主要影响耕层土壤有机碳组分的变化。种植密度增加使土壤中活性有机碳增加，轻组有机碳减少，中等密度下促进土壤微生物量碳增加。产量与土壤不同有机碳组分线性回归方程为（产量）=-4665.61-0.0083（SOC）-0.4213（ASOC）-0.7773（LFOC）+5.3703（DOC）+33.4083（MBC）。活性有机碳和微生物量碳与土壤速效磷、速效钾、碱解氮和玉米产量呈正相关，活性有机碳和微生物量碳具有土壤肥力指示作用。 施肥能够促进耕层土壤腐殖酸和富里酸的分解转化。施肥促进高、中产田土壤有机质腐熟程度，增加高产田土壤陆源溶解性有机质，中低产田的生物源溶解性有机质。施肥使土壤中溶解性有机质荧光强度和溶解性有机碳、溶解性有机磷和溶解性有机氮含量平均增加了1.08%、9.36%、-3.39%和-7.54%。土壤腐植酸荧光峰、富里酸荧光峰与土壤溶解性有机碳、溶解性有机氮和溶解性有机磷含量、土壤微生物碳、氮含量和玉米产量均呈显著正相关。土壤溶解性有机质荧光强度能够反映土壤肥力状况，荧光峰值强度越强土壤肥力越高。溶解性有机磷是该地区影响产量的主要土壤溶解性有机质组分，溶解性有机磷含量具有土壤肥力指示作用。 施有机肥比无机肥的土壤微生物量碳和氮增加了44.55%和11.41%，蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性分别增加了14.39%、12.29%和12.27%，过氧化氢酶活性降低了37.71%，施氮肥能促进脲酶活性。随着种植密度的增加土壤蔗糖酶活性呈下降趋势，磷酸酶活性呈上升趋势，种植密度过高抑制脲酶活性，中等密度有利于增加土壤脲酶活性和过氧化氢酶活性。免耕比传统耕作土壤中微生物量碳和氮增加了100.00%和11.35%，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性分别增加了41.60%、47.02%和47.02%，过氧化氢酶活性降低了10.34%，深松比传统耕作土壤中微生物量碳和氮增加了94.03%和7.30%，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性增加37.29%、20.87%和21.87%，过氧化氢酶活性降低了29.31%。夏深松脲酶和磷酸酶活性较高，春深松过氧化氢酶活性较高。深松40cm比深松30cm蔗糖酶活性和过氧化氢酶增加了10.30%、50.40%，脲酶和磷酸酶活性降低了8.93%、8.38%。蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性与土壤有机碳含量及微生物碳含量呈显著正相关，过氧化氢酶活性与土壤有机碳含量及微生物碳含量呈显著负相关。土壤中有机碳、有机氮和有机磷的转化相互影响。 施肥使春玉米产量增加了26.15%52.66%，施用有机肥能显著增加玉米百粒重，磷肥和有机肥配施有利于减少秃尖长度。密度过高春玉米秃尖长度增加穗行数减少从而降低了单穗重，密度过低秃尖长度减少及穗行数增加，中等密度产量最高。免耕能够通过增加百粒重增加玉米产量。深松比传统耕作春玉米产量增加了3.59%。且秋深松优于夏深松优于春深松，深松40cm比深松30cm产量增加了1.11%。土壤有机碳含量与春玉米百粒重呈显著正相关，与秃尖长度呈显著负相关。活性有机碳和微生物量碳与产量和单穗重呈显著正相关。该区春玉米高产增碳的农作技术为有机无机肥配施、中等密度、免耕深松，秋深松40cm，土壤培肥的主要指标是活性有机碳。