秸秆还田对黑土区坡耕地土壤生境的影响

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东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地。因地处高纬度地区,多种侵蚀营力复合交错,加上地形长缓以及机械垄作的影响,使得其土壤侵蚀环境十分复杂。同时,由于耕作和化肥农药的大量使用,导致水土流失严重,黑土层变薄,土壤有机质含量下降,土壤耕性变差。秸秆资源综合利用是农业废物资源就地利用转化并有望遏制黑土退化、提升黑土质量的现实选择;同时,在某种意义上,也是人工草地建设的一种替代方案,是北方冬季饲草及其他用途人工草料(如绿肥)的重要来源。因此,实施农作物秸秆就地还田等保护性耕作措施,对于黑土地保护至关重要。本研究以东北黑土区吉林省东辽县的杏木小流域为项目区开展大田试验,共选取布设了12块坡耕地试验田。分别测定土壤p H、电导率、含水率、硬度、总碳、有机碳、总氮、可利用氮、总磷、土壤机械组成、土壤团聚体组成、土壤微生物量等12个指标,同时利用16S r DNA高通量测序技术,分析土壤微生物多样性特征,最终确定秸秆还田对黑土区坡耕地土壤生境的影响,为东北农田黑土保护等提供科学支撑。研究结果如下:1.分析秸秆还田前黑土坡耕地土壤生境本底理化性质和微生物学特征发现,种植作物显著增加了坡耕地土壤含水率和可利用氮含量,使土壤保水保肥能力增强。但多年连续种植及化肥的施用,使坡耕地土壤p H降低,造成土壤酸化,抑制了芽单胞菌门和担子菌门等土壤微生物的活性,土壤微生物多样性有所降低。2.坡度对坡耕地本底土壤理化性质影响显著。其中,5°是黑土区一个特殊的坡度拐点:与3°和8°坡耕地相比,5°坡耕地土壤板结和酸化现象最为严重,土壤微生物多样性最低;8°坡耕地土壤p H最高,土壤可利用氮等养分含量最低,说明5°及以上坡耕地水土流失情况会随坡度增加而增大。3.秸秆还田对坡耕地土壤理化性质影响显著。虽然秸秆在分解时释放的有机酸会导致土壤一定程度的酸化,但秸秆还田显著增加了土壤含水率,降低了土壤容重和土壤硬度,使土壤物理性质得到改善,有利于作物的生长。秸秆还田使坡耕地土壤中的砂砾所占比重普遍下降,细砂粒明显增加,而黏粒和粉砂降低;大团聚体比重增加,微团聚体含量降低。这说明秸秆还田有利于促进土壤团粒结构的形成并改善土壤耕性。4.秸秆还田降低了黑土坡耕地上层土壤碳、氮及有机质等养分含量,对下层土壤未产生显著影响。这可能是由于试验时间短以及秸秆还田外源有机质输入刺激上层土壤有机质快速分解而造成的(即priming effect)。此外,由于土壤微生物与作物争夺土壤中的氮素,导致还田后的秸秆土壤氮含量显著降低。5.秸秆还田后坡耕地土壤微生物量碳、氮均降低。这可能是由于土壤微生物与作物竞争氮素抑制了土壤微生物的活性。通过对门水平上微生物群落组成分布评估可知,秸秆还田对土壤微生物物种多样性组成未产生显著影响,但土壤微生物类群构成的相对丰度产生明显改变。秸秆还田后,变形菌门和子囊菌门所占比重降低,酸杆菌门、放线菌和担子菌门所占比重增加。RDA分析表明,土壤p H、电导率、土壤有机质和可利用氮对秸秆还田后黑土坡耕地土壤微生物群落组成具有重要影响。本研究针对东北黑土区吉林省非典型黑土和低山丘陵地貌条件下秸秆还田保护性耕作对坡耕地土壤生境的影响及其有效性进行研究,研究结果可为本区域农田黑土地保护的具体措施选择等提供科学支持。
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