玉米秸秆还田对黑土团聚体影响的研究

Soil fertility depends on the soil nutrient content and structure. Soil aggregate is the material foundation of soil structure. High clay content and plough pan of black soil impacting soil structure limit transportion of water, heat, gas and nutrients in soil. Maize straw incoporation is an optimized option for the benefit of environment protect in agroecology, because atmosphere pollution is being increased resulted from a amount of maize straw burned. So the research related to the effect of straw incoporation on black soil aggreate has important scientific significance and application prospect. The relationship among maize straw-soil aggregate-bonding agent was determined by combining uses of physical fraction of aggregate, SEM, CT and SR-μCT based on the incubation of undisturbed soil from being maize straw incoporation. The objectives of the study are to (1) to determine the effect of alternate freezing and thawing under different soil water contents on soil aggregate after straw incoporation; (2) to elucidate the response of soil aggregate to different stage of maize sraw humification; (2) to detect the regultion role of bonding agent, organic fraction, microbe for above both processes; (4) to determine the effect of maize straw inpcoporation related to amount and location in soil profile on soil struture. This study will provide a basis to further study the process in regulation of black soil fertility and definite cultivating in theory and to establish the optimized straw incorporation.

土壤肥力决定于土壤的养分含量和土壤结构。土壤团聚体是土壤结构的物质基础。黑土由于黏粒含量高和犁底层的存在影响了土壤结构，限制了土壤中的水、热、气传导和养分运输。农田生态系统中大量玉米秸秆产生，并且大部分被燃烧，增加大气污染，还田是最佳选择。研究玉米秸秆还田对黑土土壤团聚体的影响具有重要科学意义和广泛的应用前景。本项目利用秸秆还田后的田间原状土柱室内培养，应用团聚体物理分级方法，扫描电镜、CT和SR-μCT扫描技术分析秸秆-团聚体-胶结物质之间的关系。研究目的：（1）揭示秸秆还田后不同土壤含水量下冻融作用对黑土团聚体的影响；（2）阐明土壤团聚体对秸秆不同腐殖化阶段的响应；（3）探明胶结物质、有机碳组分和微生物在上述两个过程中对土壤团聚体的调控作用；（4）明确秸秆不同量和不同位置还田对黑土土壤结构的调控作用。这项研究将为黑土土壤肥力调控和定向培育提供支撑。

土壤肥力决定于土壤中的养分含量和土壤结构。土壤团聚体是土壤结构的物质基础。黑土由于粘粒含量较高和障碍层的存在影响了土壤结构功能的发挥，限制了土壤中的物质循环和能量流动。农田生态系统中由于种植结构的改变产生了大量的玉米秸秆，并且大部分被然烧，导致了大气污染，秸秆还田是最佳选择。本研究基于田间试验研究，结合团聚体物理分级方法、CT扫描等技术分析了秸秆还田后的腐解过程对土壤物理性质和团聚体形成的影响及其机制，解析了秸秆还田不同深度对土壤有机质机及其组分的影响，探讨了秸秆腐解过程对土壤结构的调控作用。有机物料输入是增加黑土全土及不同粒级团聚体颗粒有机碳的主要途径，是促进土壤团聚体形成的重要措施。秸秆施入0-20 cm土层后，其第一年、第三年和第六年秸秆腐解率依次是54.71%、77.20%和86.02%；而当将等量的秸秆施入20~35 cm亚耕层后其腐解率均低于秸秆在0~20 cm土层的腐解率，第一年、第三年和第六年的腐解率分别是34.40%、67.47%和80.53%。玉米秸秆混施入0-20 cm土层后，1年后、3年后和6年后的腐殖化系数分别为15.86%，6.90%和4.83%；20-35 cm后，1年后、3年后和6年后的腐殖化系数分别为12.73%，13.33和5.45%。随着秸秆的腐解，显著增加了土壤中有机质的含量，秸秆施入0-20 cm平均每年增加土壤有机质0.06 g/kg，而秸秆施入20-35 cm土层土壤有机质每年增加的速度为0.21 g/kg。秸秆腐解过程中土壤轻组有机碳的增加显著，是团聚体形成的重要胶结物质。秸秆施入0-20 cm后>0.25 mm团聚体增加了4.7%，而当秸秆施入20-35 cm后>0.25 mm团聚体增加了15.6%，结果显示秸秆还田能够显著促进团聚体的形成。最后，秸秆还田显著改善了土壤结构，增加了土壤>30 μm孔隙的比例，同时改善了孔隙的连通性。通过土壤结构改善显著增加了土壤中微生物的丰富度和微生物群落网络节点平均数，增加了网络的复杂性，揭示了秸秆-团聚体-微生物之间的关系。该研究为黑土定向培育提供了理论基础。