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长期施肥农田的土壤酸化特征与机制研究

作　者: 孟红旗
导　师: 吕家珑
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 土壤学
关键词: 生态系统长期施肥耕层pH 土壤酸化质子负荷
分类号: S153
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为探索农田土壤酸化的时空演变规律，揭示农田土壤酸化的成因，提出农田土壤酸化防治的有效措施，收集了我国6种典型农田土壤（祁阳和进贤红壤、进贤和望城水稻土、重庆紫色土、郑州和昌平潮土、公主岭和哈尔滨黑土、黑河暗棕壤）上10个长期（18~30年）施肥试验的历史观测资料，分析了长期不同施肥措施下耕层土壤pH的演变特征和酸化速率，与其受区域气候和初始土壤理化性质等自然因素的影响；分析了长期不同施肥措施下剖面土壤pH的垂直变异特点；分别从生态系统的表观氮平衡和质子负荷组成、土壤酸中和能力（ANC）和土壤水溶性组分的变化4方面阐述了农田土壤酸化的机制。结果表明：（1）以6年为一阶段，祁阳红壤、进贤红壤、重庆紫色土、公主岭黑土和哈尔滨黑土试验各施肥处理的土壤pH差异明显。长期施肥下农田土壤酸化速率的大小顺序为：N> NPK> NPKM≈CK≈M（成对T检验，P <0.05或0.01）。N和NPK处理的土壤酸化速率分别为0.066和0.046pH/yr，是对照平均值的4.9和3.4倍。化学磷钾肥单施的耕层pH较对照显著下降，土壤酸化速率显著升高。尽管存在区域差异性，长期施肥农田的耕层pH演变存在对施肥措施的共性响应特征。（2）年均气温主导的因子与初始1-6年pH下降量显著负相关。降雨量主导的因子与土壤酸化速率存在显著相关：蒸降比每升高1个单位，土壤酸化速率平均降低0.02~0.04pH/yr。相对土壤酸化速率与海拔因子显著正相关：海拔每增加100m，磷钾处理的相对土壤酸化速率平均增加0.024pH/yr。初始土壤有效磷含量与1-6年pH下降量呈显著正相关。土壤酸化速率受初始土壤pH值和粘粒含量的显著影响：初始pH值越大，土壤年酸化速率越小；土壤粘粒含量越大，土壤酸化速率越大。区域气候和初始土壤理化性质等自然因素对农田土壤酸化存在显著影响。（3）长期施肥下，土壤有效磷的增加效应最为明显（168-599%），其次为有效钾（16-189%），再次为有效氮（9-33%）。在氮或磷钾养分相对不足的生态系统中施入相应养分可有效减缓土壤酸化；而在氮或磷钾养分相对盈余的生态系统中施入相应养分则可明显加速土壤酸化。（4）在农业土壤上，超过作物生物量和土壤积累的过量氮施肥引起了生态系统氮盈余。表观氮平衡的增加加速了土壤酸化。此效应在不同长期试验上依次降低：祁阳红壤>公主岭黑土>哈尔滨高量施肥>黑河暗棕壤>重庆紫色土>哈尔滨常量施肥>望城水稻土。在祁阳红壤试验，每增加10kg/ha/yr氮盈余，土壤酸化速率增加0.01pH/yr。（5）祁阳红壤、进贤红壤、哈尔滨黑土和黑河暗棕壤试验各施肥处理的生态系统质子负荷分别为-3.58~19.84、-2.52~9.96、0.75~13.95和-0.86~10.74kmol/ha/yr。土壤净酸添加率（NAAR）与土壤pH下降速率呈显著线性正相关。这种线性相关在重庆紫色土（-3.17~22.43kmol/ha/yr）和公主岭黑土（-2.24~10.10kmol/ha/yr）试验未达到显著性。长期施肥下农田土壤酸化速率受过量盐基阳离子施肥、生物量移除、生态系统表观氮平衡和有机碳矿化分解4个主要因素的影响。（6）实验室条件下的土壤质子化过程可视作由质子扩散控制的假二级反应动力学过程。在各长期试验，土壤ANC与pH具有高度线性相关性，土壤ANC在指示土壤的酸碱程度上较pH更为灵敏。土壤ANC对土壤有机质（SOM）的变化不敏感。长期施肥措施对土壤ANC的影响因试验点而异，总体上，施用无机氮肥<不施氮组≈有机无机氮配施组。（7）在哈尔滨黑土试验，伴随着土壤pH的显著降低，土壤水溶性组分中碳相关阴离子的比例呈下降趋势，而硝酸根的比例呈上升趋势。在高量施氮处理，硝酸根和钙镁离子在土壤表层（0~5cm）和深层（>20cm）发生明显积累。耕层土壤的可溶性组分中，碳相关阴离子和硝酸根占总阴离子的比例，可溶性有机氮和无机氮占总氮比例均也可指示生态系统碳和氮循环质子负荷占比。（8）在农业生态系统中，土壤中的碱性物质通过淋溶和生物量收获被输出生态系统，形成净质子负荷；作为盐基阳离子的阴离子载体，碳酸氢根、有机酸根和硝酸根输出是生态系统质子负荷的主要形式，分别构成了驱动土壤酸化的碳循环和氮循环效应。为防止农田土壤酸化，除总质子负荷低于3%的土壤ANC上限约束外，10~50%的氮循环质子负荷占比也是重要的约束条件。（9）防治农田土壤酸化应遵从的总体原则是：通过合理的施肥、田间管理和收获模式，促进养分的生物循环，减缓养分的地球化学循环。具体分解为5个方面：合理施用化学氮肥，维持生态系统表观氮平衡；合理施用化学磷钾肥，弥补生物量收获养分输出；合理施用有机肥，保持或逐步提高土壤的基础肥力；合理水分管理，减少土壤养分淋溶和流失；合理田间管理，提高农作物产量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章农田土壤酸化概述  15-45
  1.1 农田土壤酸化现状  15-18
    1.1.1 世界农田土壤酸化  15
    1.1.2 我国农田土壤酸化  15-18
  1.2 土壤酸化研究的方法论  18-27
    1.2.1 土壤改良试验  18
    1.2.2 大气沉降分析  18-20
    1.2.3 土壤淋溶分析  20-22
    1.2.4 土壤酸碱缓冲容量  22-26
    1.2.5 土壤硝化作用  26-27
  1.3 生态系统质子负荷核算  27-43
    1.3.1 基本概念与原理  27-28
    1.3.2 质子的缓冲机制  28-29
    1.3.3 质子的驱动机制  29-31
    1.3.4 质子流的输入-输出途径  31-33
    1.3.5 质子负荷核算的前提假设  33-35
    1.3.6 森林生态系统质子负荷核算实例  35-38
    1.3.7 农田生态系统质子负荷核算实例  38-43
  1.4 长期施肥农田土壤酸化研究  43-45
    1.4.1 研究的切入点与意义  43
    1.4.2 研究的内容与技术路线  43-45
第二章材料与方法  45-53
  2.1 长期施肥试验介绍  45-51
    2.1.1 试验点区位与气候特征  45-47
    2.1.2 试验点的初始土壤性质  47-48
    2.1.3 试验小区与施肥设计  48-50
    2.1.4 作物耕作管理  50-51
    2.1.5 样品采集与测试  51
  2.2 数据处理  51-53
    2.2.1 长期时间序列数据的可疑值剔除  51-52
    2.2.2 软件的应用  52-53
第三章长期施肥土壤的耕层 pH 演变  53-71
  3.1 耕层土壤 pH 的阶段变化  53-61
    3.1.1 祁阳红壤  53
    3.1.2 进贤红壤  53-55
    3.1.3 进贤水稻土  55
    3.1.4 望城水稻土  55-56
    3.1.5 重庆紫色土  56-57
    3.1.6 郑州潮土  57
    3.1.7 昌平潮土  57-58
    3.1.8 公主岭黑土  58-59
    3.1.9 哈尔滨黑土  59-60
    3.1.10 黑河暗棕壤  60-61
  3.2 长期施肥农田的耕层土壤 pH 演变  61-66
    3.2.1 土壤 pH 对施肥措施的共性响应  61-63
    3.2.2 土壤酸化速率的施肥共性与地域差异性  63-64
    3.2.3 土壤酸化速率对施肥措施的共性响应  64-65
    3.2.4 农田土壤 pH 演变的讨论  65-66
  3.3 其它施肥措施对土壤 pH 和酸化速率的影响  66-70
    3.3.1 对照与磷钾单施  66-67
    3.3.2 秸秆配施与不配施  67-69
    3.3.3 非豆科轮作与豆科轮作  69-70
    3.3.4 无机有机配施的常量与高量  70
    3.3.5 石灰配施与不配施  70
  3.4 本章结论  70-71
第四章自然因素对农田土壤酸化的影响  71-89
  4.1 区域气候特征值对土壤酸化的影响  71-75
    4.1.1 耕作初始 1-6 年 pH 下降量  72
    4.1.2 土壤酸化速率  72-73
    4.1.3 相对土壤酸化速率  73-75
  4.2 土壤初始性质对土壤酸化的影响  75-79
    4.2.1 耕作初始 1-6 年 pH 下降量  75-77
    4.2.2 土壤酸化速率  77-78
    4.2.3 相对土壤酸化速率  78-79
  4.3 试验期间土壤有效态养分与土壤酸化速率  79-81
  4.4 长期施肥土壤的剖面 pH 变化  81-88
    4.4.1 资料来源与说明  82
    4.4.2 祁阳红壤  82-83
    4.4.3 进贤红壤  83-84
    4.4.4 进贤水稻土  84-85
    4.4.5 郑州潮土  85
    4.4.6 昌平潮土  85-86
    4.4.7 公主岭黑土  86-87
    4.4.8 哈尔滨黑土  87-88
  4.5 本章小结  88-89
第五章生态系统表观氮平衡与土壤酸化  89-101
  5.1 祁阳红壤  89-90
  5.2 进贤红壤  90-91
  5.3 进贤水稻土  91-92
  5.4 望城水稻土  92-93
  5.5 重庆紫色土  93-94
  5.6 郑州潮土  94-95
  5.7 昌平潮土  95-96
  5.8 公主岭黑土  96-98
  5.9 哈尔滨黑土  98-99
  5.10 黑河暗棕壤  99-100
  5.11 本章小结  100-101
第六章长期施肥农田的生态系统质子负荷核算  101-113
  6.1 农田质子负荷核算方法  101-102
    6.1.1 大气沉降、施肥与生物量移除效应  101
    6.1.2 土壤淋溶效应  101-102
    6.1.3 有机碳分解效应  102
    6.1.4 质子负荷汇总  102
  6.2 祁阳红壤  102-104
  6.3 进贤红壤  104-105
  6.4 重庆紫色土  105-106
  6.5 公主岭黑土  106-108
  6.6 哈尔滨黑土  108
  6.7 黑河暗棕壤  108-110
  6.8 讨论  110-112
    6.8.1 自然因素对质子负荷的影响  110-111
    6.8.2 人为因素对质子负荷的影响  111-112
  6.9 本章小结  112-113
第七章长期施肥土壤的酸中和能力变化  113-123
  7.1 分析方法说明  113-115
    7.1.1 土壤样品来源  113
    7.1.2 酸滴定曲线的绘制  113-114
    7.1.3 土壤酸中和能力（ANC）的求解  114-115
    7.1.4 土壤质子化的反应动力学过程  115
  7.2 土壤质子化的反应动力学  115-117
    7.2.1 反应时间的影响  115-117
    7.2.2 反应温度和振荡条件的影响  117
    7.2.3 土壤质子化反应过程分析  117
  7.3 土壤性质对 ANC 的影响  117-120
    7.3.1 土壤 pH 值  117-119
    7.3.2 土壤有机质含量 SOM  119-120
  7.4 长期施肥措施对土壤 ANC 的影响  120-122
  7.5 本章小结  122-123
第八章长期施肥土壤的水溶性组分变化  123-132
  8.1 材料与方法  123-124
    8.1.1 土壤样品的采集  123
    8.1.2 土壤水溶性组分的测量  123-124
  8.2 耕层土壤的水溶性组分  124-126
    8.2.1 pH、电导率、TDC 和 TDN  124
    8.2.2 阴阳离子组分  124-126
  8.3 剖面土壤的水溶性组分  126-129
    8.3.1 pH、电导率、TDC 和 TDN  126-127
    8.3.2 阴阳离子组分  127-129
  8.4 黑土水溶性离子组分的长期变化  129
  8.5 土壤水溶性组分对生态系统质子负荷组成的指示意义  129-131
  8.6 本章小结  131-132
第九章农田土壤酸化的机制与防治措施  132-139
  9.1 生态系统碳氮循环（内外源）质子负荷  132-137
  9.2 农田土壤酸化的防治措施  137-139
    9.2.1 合理施用化学氮肥，维持生态系统表观氮平衡  137
    9.2.2 合理施用化学磷钾肥，弥补生物量收获养分输出  137-138
    9.2.3 合理施用有机肥，保持或逐步提高土壤的基础肥力  138
    9.2.4 合理水分管理，减少土壤养分淋溶和流失  138
    9.2.5 合理田间管理，提高农作物产量  138-139
第十章结论与展望  139-143
  10.1 主要结果与结论  139-140
  10.2 主要创新点  140-141
  10.3 存在问题与不足  141
  10.4 研究展望  141-143
参考文献  143-155
附录 1：图目录  155-157
附录 2：表目录  157-159
附录 3：公式目录  159-160
致谢  160-161
作者简介  161

长期施肥农田的土壤酸化特征与机制研究

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