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典型亚热带耕地和高寒草地土壤质量变化和健康评估研究
司绍诚
Subtype博士
Thesis Advisor骆永明
2022
Training institution中国科学院烟台海岸带研究所
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name工学博士
Degree Discipline环境科学
Keyword耕地 草地 长期定位施肥 土壤质量 土壤健康
Abstract耕地和草地分别约占地球上无冰土地的12%和26%,是地球上占比最大的两种典型土地利用类型之一,也是我国重要的两种农用地类型。维护耕地和草地土壤质量和健康对我国农牧业绿色可持续性发展、推进生态文明建设具有重要意义。长久以来,施肥是保障和提高耕地和草地生产力的主要农艺措施,但目前关于全面体现施肥对土壤质量和健康变化影响的系统性研究还很有限,对于长期施肥后的土壤质量和健康的整体评价、土壤健康变化的原因与后果等方面的研究仍存在不足。本研究分别基于中国科学院鹰潭红壤生态试验站内(位于亚热带江西省内的丘陵旱作耕地)一处连续23年的长期定位施肥试验点和青海海北高寒草地生态试验站内一处连续9年的长期施肥试验点,开展了长期施肥对亚热带旱地红壤耕地(以下简称“亚热带耕地”)和青藏高原高寒草地(以下简称“高寒草地”)土壤质量影响和健康评估的研究。其中,亚热带耕地上的长期定位试验包含施用化肥、化肥配施微量元素、施用猪粪有机肥和猪粪有机肥配施微量元素等4个不同施肥处理;而高寒草地上的长期试验则包含单施氮肥、单施磷肥、氮磷混施和不施肥等4个不同施肥处理。本研究探讨了长期施肥对我国东南亚热带丘陵区耕地和青藏高原高寒草地土壤基础肥力供给、污染物累积以及生物学特性等方面的影响规律;在借鉴已有土壤健康评估理论和方法的基础上,构建了基于土壤肥力与污染相耦合的耕地土壤健康评估体系与方法,以及基于土壤多功能性的草地土壤健康评估体系与方法;定量评估了长期施肥后的耕地和草地土壤健康状况。研究结果可为预防农牧地土壤深度污染与土壤退化、保障农业生产的可持续发展提供科学依据。本研究取得的主要研究进展包含如下几个方面: (1)长期施肥显著影响了亚热带耕地和高寒草地土壤物理结构、酸度、有机碳及主要养分含量等基础肥力特性。在亚热带耕地红壤上,长期施用猪粪和配施微量元素肥都可以有效改良耕地红壤的物理结构,降低土壤酸度,提高土壤有机碳及养分含量。相较于施用化肥的处理,连续23年施用猪粪有机肥显著提高了土壤中水稳态团聚体的稳定性,降低了土壤容重,使土壤pH值提高了1.2~1.4个单位,使土壤有机碳含量增加了16.8%~25.0%,并使土壤氮、磷、钾养分的全量和有效态含量都得到了显著提升。此外,相较于单独施用化肥的处理,配施微量元素有利于提高土壤水稳态团聚体稳定性以及全氮和有效氮养分的含量。在高寒草地上,长期氮、磷肥添加对土壤物理结构、pH值、有机碳和主要养分含量都产生了影响。相较于不施肥的处理,连续9年施加氮、磷肥处理显著降低了土壤水稳态团聚体的稳定性并提高了土壤容重;其中,长期施加氮肥显著提高了土壤硝态氮和铵态氮的含量,长期施加磷肥则显著提高了土壤总磷和有效磷的含量;而长期偏施氮肥会使高寒草地土壤pH值以及土壤有机碳含量显著降低。 (2)长期施肥促进了亚热带耕地和高寒草地土壤中重金属和抗生素抗性基因等污染物的累积。在亚热带耕地红壤上,连续23年施用猪粪有机肥显著提高了土壤中重金属Cu、Zn和Cd的全量、各结合形态(弱酸提取态、易还原铁锰结合态和易氧化有机结合态)以及0.43 mol L-1 HNO3提取态的含量;同时,含Zn微量元素肥料的添加显著增加了土壤中Zn的全量、弱酸提取态、铁锰结合态及0.43 mol L-1 HNO3提取态的含量。进一步采用超高通量qPCR技术(HT-qPCR)分析表明,长期施用猪粪有机肥显著提高了耕层及犁底层土壤中多重耐药类、β-内酰胺类、MLSB类和四环素类抗性基因,以及整合子类可移动遗传元件的亚型种类及其丰度;且在不同土壤深度上表现出耕层˃犁底层的分布特征。在高寒草地上,连续9年施用磷肥显著提高了土壤中的Cd全量(19.2%~50.0%)。而在所有施肥处理的土壤中,易氧化有机结合态Cd的占比为56.7%~64.6%,残渣态Cd的占比为29.7%~38.1%,表明Cd在高寒草地土壤中处于较为稳定的赋存形态。 (3)长期施肥显著影响了亚热带耕地和高寒草地土壤微生物学特性和植物生产力。在亚热带红壤旱作耕地上,连续23年施用猪粪有机肥显著提高了土壤微生物生物量碳/氮含量、土壤酶(脲酶、蔗糖转化酶、β-葡萄糖苷酶、脱氢酶)活性、土壤呼吸强度和土壤微生物群落多样性。微量元素肥料的添加显著提高了单施化肥和单施猪粪有机肥处理土壤中的微生物群落多样性和部分有益细菌,如盖勒氏菌属(Gaiellales sp.)和芽单胞菌属(Bacillus sp.)的群落丰度。此外,长期施用猪粪有机肥和化肥配施微量元素可以显著提高作物产量。在高寒草地上,连续9年施用氮肥显著降低了土壤微生物生物量碳/氮、脱氢酶活性以及土壤呼吸强度,但提高了土壤脲酶和β-葡萄糖苷酶活性。长期施用氮肥显著提高了草地植物地上部生物量(38.4%~45.8%),但却使植物群落的物种丰富度显著降低了22.4%~29.9%。 (4)长期施用猪粪有机肥和微量元素可提高亚热带耕地红壤综合健康水平。不同施肥处理下亚热带耕地红壤的综合土壤健康状况不同。通过建立包括土壤团聚体平均重量直径、总氮、有效磷、微生物生物量碳和土壤脱氢酶活性等5个指标在内的最小数据集,评估了不同施肥处理后的土壤肥力质量;采用土壤重金属潜在生态风险指数评估了不同施肥处理后的土壤环境质量;采用改进的内梅罗指数法耦合土壤肥力质量和土壤环境质量综合评估了长期不同施肥处理下亚热带丘陵耕地旱地红壤的健康状况。结果表明:长期施用猪粪有机肥的土壤健康程度高于施用化肥的处理,而添加微量元素可以进一步显著促进土壤健康水平的提升。 (5)构建了基于土壤生态系统多功能性的高寒草地土壤健康评估体系;长期单施氮肥对高寒草地土壤健康可产生负面影响。长期不同外源氮、磷养分添加模式下高寒草地土壤健康状况不同。通过融合功能性土壤管理理论,构建了一套基于土壤生态系统多功能性的草地土壤健康评估体系;采用主成分分析法分别评估了不同施肥处理对提供初级生产力、碳封存与调节、生物多样性供给、养分循环与供给以及水体调节与涵养等5项土壤功能的影响;采用土壤健康指数面积法将各项土壤功能状况评估了长期不同施肥处理下高寒草地土壤健康的状况。结果表明:长期施用氮肥显著提升了土壤的初级生产功能,但降低了土壤的碳封存与调节功能和生物多样性供给功能。长期施用磷肥对草地土壤健康的影响尚未显现。
Pages219
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30524
Collection中国科学院烟台海岸带研究所知识产出
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GB/T 7714
司绍诚. 典型亚热带耕地和高寒草地土壤质量变化和健康评估研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022.
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