论文部分内容阅读
随着工农业生产的飞速发展,我国农田土壤质量下降的问题日益突出,上海郊区农田土壤也不例外,土壤有机质含量低下、养分失衡、污染物质积累、土壤盐渍化和土壤生物功能衰减是其面临的主要问题。众所周知,生物资源循环下的种养结合系统（Crop-livestock system）不仅将废弃物充分利用,减少农业污染源,而且制得的有机肥料对土壤有较好的改良作用。本文以不同种养结构重心的上海崇明中新农场（养殖为主）和松江涌禾农场（种植为主）为试验基地,通过系统分析提出其各自面临的种养结合问题,并针对性地进行大田定位观测和盆栽模拟改良实验,研究了种养结合模式下秸秆废弃物和畜禽粪便堆肥还田、田间耕作管理、重金属植物修复等技术对土壤的综合改良效果,旨在为上海郊区农田土壤的改良提供技术依托和实例参考。主要研究结论如下:（1）在崇明中新农场种养结合中,农业废弃物循环利用和土壤的精细化管理是土壤改良的良好开端。大田试验结果表明,即使是在常规种植向有机种植转变的过渡阶段（12年）,土壤SOC（有机碳）、TN（全氮）、AC（活跃性有机碳）和AN（碱解氮）均得到了改善,有机栽培方式较传统化学栽培的土壤有机碳在020 cm、2040 cm和4060 cm土层分别提高了90140%,33108%,和60140%。各个土壤理化性质在020 cm层和2040 cm层均表现出极显著（P<0.01）的相关关系。此外,即便是在同一栽培类型下的土壤,其理化性质也有较大的变化,体现了耕作转变过渡期土壤理化性质在空间上的不稳定性,说明在种养结合初期土壤理化性质容易受到外界环境的干扰,改良的初期阶段要更加注意土壤的养护。（2）中新农场土壤除表层的SOC和TN表现为强烈空间相关外（块金值/基台值<25%）,其它土壤化学指标在农场尺度上均表现为中等空间相关（块金值/基台值在25%75%）。利用Arcgis生成农场养分空间分布图,对今后农业生产布局和精准施肥具有指导意义。区域的EC值均较高(最高2450?s cm-1),且水旱轮作的平均EC值(1100?s cm-1)低于旱地耕作(1250?s cm-1),说明在滨海盐碱土地区进行有机栽培时要特别关注土壤盐分状况,避免造成土壤盐渍化程度加重。有机肥的施用有利于改善土壤细菌群落多样性,而在种养循环开始阶段土壤细菌多样性受耕作方式的影响大于肥料类型的影响,有机水旱轮作和有机间作有利用细菌群落多样性的改良。（3）中新农场的种养循环是以养殖为核心,通过两年运营后发现大量养殖废弃物的快速处理是迫切需要解决的问题。为加速农业废弃物的循环利用,在中新农场进行了农业秸秆和畜禽废弃物的生物发酵试验。通过添加秸秆降解复合菌剂JFB-1,明显提高了堆肥过程中堆体的温度（5-10℃）,并缩短了一次发酵周期（1-2天）,为种养循环中农业废弃物的高效处理提供了参考。由于较高的腐熟温度可以更加有效的杀死堆肥原料中的病源微生物,从而保证了堆肥的产量与品质;使用添加复合菌剂JFB-1的秸秆有机肥还田,可以更加有效的提高土壤有机质和全氮含量,活跃土壤酶如纤维素酶及脲酶活性,最终改良土壤养分状况。（4）与崇明中新农场的种养循环结构重心不同,上海涌禾农场的经营以种植为主,养殖部分为农作物生长提供有机肥的需要。由于种养规模不匹配造成的养分不足和潜在环境问题一直是困扰涌禾农场的难题。本研究以养分循环为核心,利用系统动力学对种养规模进行了优化,当生猪出栏数达到1800头时,基本满足作物养分的需求,同时污染也降到最低。规模调整后通过精细培肥、田间轮作、茬口安排、污水净化、管道输送等多种技术,园区土壤微生物数量和结构得到了很大改善。此外,土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾的最大值比改良前分别上升了52%、109%、2624%、90%,且在不同栽培类型间表现为温室蔬菜>果林≥水稻轮作。土壤pH逐渐向7靠拢,EC值（电导率）大幅降低,说明改良土壤的同时即提高了作物产量,又降低盐渍化风险;土壤重金属中Cu（铜）随栽培年限呈波动变化,Hg（汞）、As（砷）呈下降趋势,Cd（镉）、Pb（铅）、Cr（铬）含量略微上升,且所有含量都接近或低于土壤背景值,远低于土壤环境质量的三级标准上限,保障了农产品安全。通过相关分析发现,Cd、Cu、Cr、Pb的含量与有机质呈极显著正相关（P<0.01）,Cd还与栽培年限呈极显著正相关（P<0.01）,说明农场有机栽培中要特别注意这几种重金属的积累,从源头上严格把关。（5）针对种养结合潜在的土壤Cd、Pb积累风险,可以考虑利用植物-微生物进行联合改良。盆栽试验中,向龙葵添加真菌和柠檬酸显著提升了龙葵根的生物量,从而提高了其累积重金属的能力。与未添加相比,龙葵体内的Cd、Pb含量分别增加了2247%和13105%。在此基础上,添加微生物和螯合剂进行辅助修复,结果大多数土壤酶活性在修复后得到了改善。DCCA排序图表明,该措施对土壤酶活性的改良效果表现为脲酶≥脱氢酶>过氧化氢酶>淀粉酶>磷酸酶>蔗糖酶。这表明,柠檬酸和耐受真菌不仅提高了龙葵对Cd和Pb的累积量,而且对土壤酶活性也起到较好的改善作用。