不合理施肥引起的稻田生态系统退化机理及其施肥修复效应研究

论文摘要

为了探明不合理施肥导致的稻田生态系统的退化机理及针对不合理施肥导致的退化稻田生态系统的修复技术,开展了以下3方面的研究:第一,利用设立在不同水稻土条件下的长期定位施肥肥效监测试验,研究各种施肥模式下稻田土壤肥力质量的演变规律;第二,通过盆栽试验,以湖南具有代表性的健康水稻土——红黄泥和河潮泥为供试土壤,研究了不合理施肥引起的稻田生态系统退化的动力学特征;第二,通过盆栽试验,研究了不同施肥措施对因长期缺施氮磷钾肥、长期缺施磷肥、长期缺施钾肥导致的退化水稻土的修复效应。所得主要研究结果如下。长期不同施肥定位试验结果证明:(1)长期不施肥使土壤全量氮磷钾、有效态氮磷钾含量下降,而施用化肥、有机肥则会提高土壤全量氮磷钾、有效态氮磷钾含量上升,且增施有机肥促进全量和有效态氮磷钾养分的增加。(2)与长期不施肥比较,长期施肥处理使含钙相对较低的黄泥田、河沙泥、红黄泥中交换性钙含量显著提高,尤以OM3O处理的效果最明显;使含钙较高的青灰泥、白鳝泥、紫潮泥中交换性钙含量显著降低,尤以NPK处理降低最明显。而长期施肥处理使含镁较多的黄泥田、河沙泥、青灰泥、白鳝泥、紫潮泥的交换性镁下降,而使含镁较少的红黄泥交换性镁含量显著上升。NPK处理使含硫较高的黄泥田、青灰泥、白鳝泥、紫潮泥有效硫含量升高,使含硫较低的红黄泥有效硫含量降低;OM3O、OM6O使所有试验水稻土有效硫含量升高。施用钙镁磷肥和有机肥能够提高土壤有效硅含量。(3)与长期不施肥比较,长期施肥使黄泥田、红黄泥、河沙泥有效硼含量升高,而对青灰泥、白鳝泥、紫潮泥有效硼影响不明显;长期NPK处理使土壤有效铜含量降低,而长期配施有机肥使土壤有效铜升高;施肥使黄泥田、河沙泥、青灰泥、白鳝泥土壤有效铁含量升高,使红黄泥、紫潮泥土壤有效铁含量较低;除新化河沙泥外,长期有机无机肥配合施用使供试土壤有效锌含量升高,而长期NPK处理使含锌较高的黄泥田、河沙泥、青灰泥土壤有效锌含量降低,使含锌较低的红黄泥、白鳝泥、紫潮泥土壤有效锌含量升高;除使紫潮泥、新化的河沙泥有效锰含量显著升高外,长期NPK处理对其他供试土壤有效锰影响不显著,而长期有机无机肥配合施用使河沙泥、紫潮泥有效锰含量显著提高,红黄泥、白鳝泥有效锰含量显著降低,但对青灰泥、黄泥田有效锰影响不显著。(4)长期NPK处理对土壤的阳离子交换量影响不大,而长期配施有机肥处理明显增大土壤的阳离子交换量,且随着有机肥施用量的增加,土壤CEC值均增加。(5)NPK处理提高红黄泥(临澧点)、青灰泥(武岗点)中粘粒含量,降低其他土壤中粘粒含量;OM3O降低青灰泥(武岗点)和紫潮泥(南县点)粘粒含量,提高其他土壤中粘粒含量;OM6O提高黄泥田(桃江点)和河沙泥(宁乡点)中粘粒含量提高,降低其他土壤中粘粒含量。施肥对粉粒的影响与对粘粒相反。(6)NPK提高黄泥田(桃江点)、河沙泥(宁乡点)、青灰泥(武岗点)、紫潮泥(南县点)细砂粒含量,降低红黄泥、河沙泥、白鳝泥中细砂粒含量。OM3O提高黄泥田(桃江点)、河沙泥(宁乡点)、红黄泥(临澧点)、紫潮泥(南县点)中细砂粒含量,降低河沙泥(新化点)、白鳝泥、青灰泥中细砂粒含量;OM6O提高河沙泥(宁乡点)中细砂粒含量,降低其余土壤中细砂粒含量。施肥对粗砂粒的影响与之相反。(7)供试土壤小于20um的颗粒中,河沙泥(宁乡点)以高岭石为主,水云母其次,其他土壤均以水云母为主,高岭石其次,1.4nm矿物最少。不同处理之间,白鳝泥中CK处理水云母含量与NPK处理接近,比OM6O显著降低;其他土壤中CK处理使小于20um的土壤颗粒中水云母含量明显高于NPK、OM6O处理或与NPK、OM6O处理相近。各供试土壤NPK处理的高岭石、1.4nm矿物含量的变化与水云母呈相反趋势。不合理施肥引起的稻田生态系统退化的动力学特征是:(1)重施氮肥首先使水稻植株生长受阻,同时改变土壤微生物种群结构,从而直接使水稻产量降低,稻田土壤生产力受损,并产生一系列不良次级反应:水稻生理活动减弱减少了根系分泌量,同时也降低了土壤Eh,使稻田土壤细菌、放线菌数量降低,MBC、MBN以及MBP含量下降,微生物保肥、供肥能力降低,从而土壤微生物生态系统功能弱化。与此同时,由于水稻对氮肥的利用效率下降,氮素流失加重,对环境产生严重影响。(2)重施有机肥由于氮磷钾养分供给平缓,水稻生长并未受阻,稻谷产量稳定,土壤有效N、P、K养分以及有机质含量稳步提高;同时,水稻的正常生长以及有机肥的输入提高了土壤微生物数量及微生物生物量C、N、P含量,增强了土壤微生物活度,从而强化了土壤微生物有效养分库的功能。但有机肥的过量输入使土壤中水溶性大、中、微量养分含量迅速增加,加速了水稻土大、中、微量养分的流失,并对环境造成严重危害。(3)不施肥处理由于土壤氮磷钾养分耗竭,水稻生长受阻,生物量小,根系分泌量少,微生物数量及微生物生物量C、N、P含量降低,微生物生态系统功能下降,土壤肥力降低。但因为土壤养分耗竭,大中微量养分的流失程度很小,全部都在安全范围内。不同施肥技术对长期缺肥水稻土的修复效应是:通过平衡施肥,水稻正常生长,一方面提高了水稻产量,另一方面也使土壤微生物生态系统形成良性循环:由于水稻生理活动旺盛,其根系分泌量大,泌氧多,土壤微生物数量、微生物活度以及微生物生物量C、N、P显著提高,从而强化了微生物的保肥供肥能力,增强了土壤微生物生态系统功能。从土壤肥力和微生物生态系统质量的修复效果看,各施肥处理皆显著提高土壤有机质、有效态氮磷钾含量以及微生物有益特征指标,尤以水稻专用肥配施有机肥(ZYM)处理综合效果最佳。从养分流失看,修复处理大、中、微量养分流失虽比不施肥处理加重,但修复处理下水稻一生中大部分时段养分流失仍维持在安全范围内,其中以ZYM处理流失程度最轻。不同施肥技术对长期缺施钾肥水稻土的修复效应是:通过补施钾肥及有机肥的平衡施肥措施,水稻正常生长,一方面提高了水稻产量,另一方面也使土壤微生物生态系统形成良性循环:由于水稻生理活动旺盛,其根系分泌量大,泌氧多,各修复处理下稻田土壤细菌数量、微生物活度、MBC、MBP及MBN含量显著提高,从而强化了微生物的保肥供肥能力,增强了微生物生态系统功能。从土壤肥力和微生物生态系统质量的修复效果看,各修复处理皆显著提高速效钾含量以及微生物有益特征指标,其中以NPKSi、NPhKM处理综合效果最佳。从养分流失看,修复处理大、中、微量元素养分流失虽比不施钾肥处理加重,但修复处理下水稻一生中大部分时段养分流失仍维持在安全范围内,其中以NPKSi、NPKM处理流失程度最轻。不同施肥技术对长期缺施磷肥水稻土的修复效应是:通过补施磷肥及有机肥的平衡施肥措施,水稻正常生长,一方面提高了水稻产量,另一方面也使土壤微生物生态系统形成良性循环:由于水稻生理活动旺盛,其根系分泌量大,泌氧多,各修复处理下稻田土壤细菌数量、MBP及MBN含量显著提高,从而强化了土壤微生物的保肥供肥能力,增强了土壤微生物生态系统功能。从土壤肥力和微生物生态系统质量的修复效果看,各修复处理皆显著提高有效磷含量以及微生物有益特征指标,其中以增施磷肥配施有机肥(NKhPM)处理综合效果最佳。从养分流失看,修复处理大、中、微量元素养分流失虽比不施钾肥处理加重,但修复处理下水稻一生中大部分时段养分流失仍维持在安全范围内,其中以NKhPM处理流失程度最轻。基于以上的修复效果,建议缺肥土壤的修复以施用水稻专用肥及适量的有机肥为佳,缺钾稻田土壤的修复以平衡施肥配施硅肥及适量的有机肥为佳,缺磷稻田土壤的修复以增施磷肥及适量的有机肥为佳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1 立项依据与研究意义
• 2 国内外研究进展
• 2.1 稻田土壤质量评价指标
• 2.2 稻田土壤退化的原因
• 2.2.1 不合理施肥对稻田生态系统退化的影响
• 2.2.2 种植制度引起的稻田土壤退化
• 2.2.3 施用农药引起的稻田土壤退化
• 2.2.4 环境污染与稻田土壤退化
• 2.3 退化稻田土壤修复的研究
• 2.3.1 改善耕作措施使稻田土壤生态系统免遭破坏
• 2.3.2 配施有机肥增强稻田土壤生态系统功能
• 2.3.3 实施平衡施肥，防止土壤养分枯竭
• 2.3.4 实施合理的种植制度
• 2.3.5 修复稻田土壤重金属污染的农业措施
• 2.4 稻田土壤质量防治退化对策与战略研究
• 2.4.1 稻田土壤质量退化研究
• 2.4.2 退化稻田土壤质量修复研究
• 3 本文的主要研究内容、研究方案与研究目标
• 3.1 主要研究内容
• 3.1.1 不同施肥处理引起的稻田土壤质量演变特征的研究
• 3.1.2 不合理施肥引起的稻田土壤退化动态特征研究
• 3.1.3 平衡施肥对缺肥退化稻田土壤质量的修复研究
• 3.2 技术路线与研究方案
• 3.2.1 技术路线
• 3.2.2 研究方案
• 第二章 长期不同施肥对湖南主要水稻土质量演变的影响
• 1 试验材料和方法
• 1.1 供试土壤
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与分析方法
• 1.4 数据处理与统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 不同施肥对土壤有机质及大量养分的影响
• 2.2 不同施肥对稻田土壤交换性钙、镁及有效硫、硅含量的影响
• 2.3 不同施肥对稻田土壤几种微量养分含量的影响
• 2.4 不同施肥处理对稻田土壤某些物理、化学性质的影响
• 3 讨论
• 4 小结
• 第三章 不合理施肥稻田土壤质量退化的动态特征研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试土壤
• 2.2 供试肥料
• 2.3 试验设计
• 2.4 样品的采集和测定
• 2.5 数据处理与统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 不合理施肥对稻田土壤肥力的影响
• 3.2 不合理施肥对土壤微生物特性的影响
• 3.3 不合理施肥对渗漏液养分浓度的影响
• 3.4 不合理施肥对水稻产量和养分吸收的影响
• 4 讨论
• 5 小结
• 第四章 平衡施肥对长期缺肥稻田土壤质量的修复研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试土壤
• 2.2 供试肥料
• 2.3 试验设计
• 2.4 样品的采集与测定
• 2.5 数据处理与统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 不同施肥修复措施对长期不施肥稻田土壤养分的影响
• 3.2 长期不施肥水稻土微生物特性的修复效应
• 3.3 长期不施肥水稻土水稻养分吸收和产量修复效应
• 3.4 施肥处理养分渗漏的评价
• 4 讨论
• 5 小结
• 第五章 平衡施肥对长期缺钾稻田土壤质量的修复研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试土壤
• 2.2 试验设计
• 2.3 样品的采集与测定
• 3 结果与分析
• 3.1 不同施肥修复措施对长期缺施钾肥稻田土壤肥力的影响
• 3.2 施肥修复对长期不施钾肥水稻土微生物特性的修复效应
• 3.3 长期缺施钾肥水稻土水稻养分吸收和产量修复效应
• 3.4 施肥修复养分渗漏评价
• 4 讨论
• 5 小结
• 第六章 平衡施肥对长期缺磷稻田土壤质量的修复研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试土壤
• 2.2 试验设计
• 2.3 样品的采集与测定
• 3 结果与分析
• 3.1 不同施肥修复措施对长期缺施磷肥稻田土壤肥力的影响
• 3.2 长期不施磷肥水稻土微生物特性的修复效应
• 3.3 长期缺施磷肥水稻土水稻养分吸收和产量修复效应
• 3.4 不同施肥处理下土壤养分渗漏评价
• 4 讨论
• 5 小结
• 第七章 主要研究结论与创新点
• 1 主要研究结论
• 2 创新点
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介