發(fā)布時(shí)間：2020-11-03 03:57

　　 農(nóng)田土壤有機(jī)碳是土壤肥力的核心,也是全球碳循環(huán)的重要組成部分。土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)是土壤固碳的重要機(jī)制之一。關(guān)于施肥對(duì)土壤有機(jī)碳及團(tuán)聚體分布的研究已經(jīng)較多,但土壤團(tuán)聚體內(nèi)部微生物的分布及有機(jī)碳礦化特征仍不清楚。此外,我國冬小麥-夏玉米一年兩作輪作體系,具有高量施肥的農(nóng)田管理特點(diǎn),而高碳氮投入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳固定機(jī)制報(bào)道較少,高量碳氮投入主要分配在團(tuán)聚體中哪個(gè)組分,是否穩(wěn)定還不清楚。本文以10年田間定位高量施肥試驗(yàn)為基礎(chǔ),系統(tǒng)研究農(nóng)田土壤團(tuán)聚體中碳氮分布特征、有機(jī)碳組分分布規(guī)律、微生物群落結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳礦化規(guī)律,試圖從團(tuán)聚體尺度揭示高碳氮投入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的固定及穩(wěn)定機(jī)制,闡明微生物群落在其中的作用機(jī)制,為全面理解土壤固碳機(jī)制補(bǔ)充數(shù)據(jù),為制定合理可行的養(yǎng)分管理措施提供技術(shù)支持。試驗(yàn)區(qū)位于山西運(yùn)城市,土壤類型為壤質(zhì)褐土。田間施肥試驗(yàn)開始于2007年,取樣時(shí)間為2016年3月,試驗(yàn)共分為7個(gè)處理:(1)CK,不施肥,(2)F,單施高量氮磷化肥,(3)S,單施玉米秸稈,(4)M,單施有機(jī)肥,(5)SF,玉米秸稈+高量化肥,(6)MF,有機(jī)肥+高量化肥,(7)SMF,玉米秸稈+有機(jī)肥+高量化肥。采用干篩法或得三種團(tuán)聚體:2mm級(jí)別團(tuán)聚體,0.25-2 mm級(jí)別團(tuán)聚體和0.25 mm界別團(tuán)聚體。利用顆粒密度方法對(duì)土壤團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳進(jìn)行分組;利用磷脂脂肪酸法(PLFA)測(cè)定土壤團(tuán)聚體內(nèi)部微生物群落結(jié)構(gòu);利用熒光微型板酶檢測(cè)技術(shù)測(cè)定與碳氮循環(huán)相關(guān)的土壤酶活性;利用124天的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)分析土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的礦化特征。得到具體結(jié)果如下:(1)高碳氮投入的有機(jī)無機(jī)配施處理顯著提高了土壤表層有機(jī)碳及全氮含量,并促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成,提高團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳及全氮含量。單獨(dú)施用高量化肥并不能提高土壤有機(jī)碳及全氮含量,高碳氮投入的秸稈或有機(jī)肥配施化肥處理顯著提高土壤碳氮含量,以SMF處理下的碳氮含量最高。干篩法表明,施肥方式對(duì)土壤干篩團(tuán)聚體質(zhì)量分布的影響較小,黃土高原東部平原區(qū)堿性壤質(zhì)褐土干篩團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)為CaCO3。0.25-2 mm大團(tuán)聚體儲(chǔ)存了超過50%有機(jī)碳和全氮,對(duì)土壤碳氮含量有決定作用。有機(jī)無機(jī)配施提高了所有粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳及全氮含量,在0.25-2 mm提高幅度最大。濕篩法表明,對(duì)于水穩(wěn)性團(tuán)聚體,有機(jī)無機(jī)配施提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量,進(jìn)而促進(jìn)了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成。有機(jī)無機(jī)配施顯著提高0.053 mm各級(jí)別水穩(wěn)性團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量,對(duì)2 mm大團(tuán)聚體的提高幅度最大。(2)高碳氮投入的有機(jī)無機(jī)配施處理不同程度提高了土壤團(tuán)聚體中游離輕組顆粒有機(jī)碳,閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳,53 μm重組有機(jī)碳和53 μm粘粉粒有機(jī)碳,其中對(duì)游離輕組顆粒有機(jī)碳的提高幅度最大。所有有機(jī)質(zhì)組分中,游離輕組顆粒有機(jī)碳對(duì)施肥最為敏感,能較好地反映長(zhǎng)期施肥下土壤有機(jī)碳的變化,而53 μm重組組分受施肥影響最小,是團(tuán)聚體中較為穩(wěn)定的有機(jī)碳庫。大團(tuán)聚體中游離輕組和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳所占比例較高,而微團(tuán)聚體中53 μm重組有機(jī)碳和53 μm粘粉粒有機(jī)碳所占比例較高,這符合經(jīng)典的“團(tuán)聚體等級(jí)模型”。有機(jī)肥或秸稈的施入提高了游離輕組顆粒有機(jī)碳,閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳和53 μm重組有機(jī)碳所占比例,同時(shí)降低了53 μm粘粉粒有機(jī)碳比例。閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳占0.25-2mm級(jí)別團(tuán)聚體有機(jī)碳的42%,說明高碳氮投入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下土壤有機(jī)碳主要以0.25-2 mm大團(tuán)聚體中閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳的形式存在。(3)高碳氮投入的有機(jī)無機(jī)配施提高了土壤團(tuán)聚體微域空間內(nèi)微生物群落豐度及碳氮循環(huán)相關(guān)的酶活性。0.25-2 mm團(tuán)聚體是微生物群落數(shù)量最多和胞外酶活性最高的粒級(jí)。微生物PLFA總量,革蘭氏陽性細(xì)菌,革蘭氏陰性細(xì)菌,放線菌,腐生真菌,AMF群落豐度及β-木糖苷酶,乙酰氨基葡糖苷酶及亮氨酸氨肽酶的酶活性均在0.25-2 mm團(tuán)聚體中最高。有機(jī)無機(jī)配施方式提高了所有團(tuán)聚體中微生物各群落豐度,對(duì)群落組成的影響較小。有機(jī)無機(jī)配施也顯著提高了團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)的土壤酶活性,對(duì)乙酰氨基葡糖苷酶活性的提高幅度最大。施用玉米秸稈可顯著提高β-木糖苷酶的活性。有機(jī)碳及全氮含量是影響團(tuán)聚體微域空間內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性的主要因素。在2 mm大團(tuán)聚體內(nèi),對(duì)微生物群落含量與酶活性影響最大的密度組分為游離輕組顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳;在0.25-2 mm大團(tuán)聚體內(nèi),主要因素為閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳;在0.25 mm微團(tuán)聚體內(nèi),對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響最大的組分為閉蓄態(tài)有機(jī)碳,對(duì)酶活性影響最大的組分為53 μm重組有機(jī)碳。(4)高碳氮投入的有機(jī)無機(jī)配施可顯著提高土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳礦化量,且對(duì)0.25-2 mm團(tuán)聚體提高幅度最大。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)前期快速下降,后期相對(duì)穩(wěn)定。有機(jī)無機(jī)配施下雖然由于礦化作用損失的有機(jī)碳較多,但碳損失量占有機(jī)碳的比例較小,有利于有機(jī)碳的累積。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和微生物群落數(shù)量及酶活性是影響土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化的主要原因。閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳是土壤大團(tuán)聚體礦化有機(jī)碳的主要來源,53 μm粘粉粒是微團(tuán)聚體中有機(jī)碳礦化的主要來源。0.25-2 mm大團(tuán)聚體是微生物進(jìn)行礦化分解最活躍的場(chǎng)所,微生物利用閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳作為主要碳源進(jìn)行礦化分解,提高了有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率。綜上所述,高碳氮投入的有機(jī)無機(jī)配施可提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳水平,提高的有機(jī)碳主要以閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳形式存在于0.25-2 mm大團(tuán)聚體中,這部分有機(jī)碳并不穩(wěn)定,在頻繁耕作下,易被微生物礦化分解。這為評(píng)價(jià)集約化農(nóng)業(yè)管理方式下施肥的長(zhǎng)期固碳效應(yīng)提供了新的依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S153.6;S154.3
【部分圖文】：

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文?第一章引言??投入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布特征；測(cè)定干篩團(tuán)聚體中的微生物群落結(jié)構(gòu)及４種??與碳氮循環(huán)相關(guān)的酶活性，來研宄土壤團(tuán)聚體微生物群落結(jié)構(gòu)與酶活性對(duì)高量施肥的響應(yīng)機(jī)制；??對(duì)干篩團(tuán)聚體進(jìn)行礦化培養(yǎng)試驗(yàn)，并利用混合雙庫一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)土壤礦化進(jìn)行模擬，得到團(tuán)??聚體有機(jī)碳庫的轉(zhuǎn)化速率，從而研究團(tuán)聚體有機(jī)碳的穩(wěn)定性，結(jié)合微生物特性來分析團(tuán)聚體內(nèi)有??機(jī)碳礦化的微生物作用機(jī)制。通過對(duì)以上４個(gè)方面的研究，以期揭示高硪氮投入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土??壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的固碳機(jī)制。??

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文?第二章材料與方法??２．４．４?土壤顆粒密度分級(jí)方法??采用改進(jìn)的?Ｙａｍａｓｈｉｔａ?ｅｔ?ａｌ?（２００５）和?Ｓｌｅｕｔｅｌ?ｅｔ?ａｌ?（２００６）的方法（圖?３－１）：稱取?５?ｇ?風(fēng)干??后的干篩團(tuán)聚體，放入在５０?ｍｌ離心管中，加入２５?ｍ丨的密度為１．６?ｇ?ｃｍ—３聚輿酸鈉（Ｓｏｄｉｕｍ??ｐｏｌｙｔｕｎｇｓｔａｔｅ?ｓｏｌｕｔｉｏｎ，?ＳＰＴ）溶液中，用手輕輕上下顛倒１０次。用１０?ｍｌ?ＳＰＴ將附著在離心管帽??和管壁的物質(zhì)沖入管內(nèi)。將樣品在放于離心機(jī)中，４０００?ｒｍｐ在２０°Ｃ下離心ｌｈ。將上部懸濁液從??離心管中輕輕倒出，在０．４５?ｎｍ尼龍濾膜上進(jìn)行真空抽濾，用去離子水洗除去ＳＰＴ，將濾膜轉(zhuǎn)移??到－？個(gè)小鋁盒，得到游離態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)（ｆＰＯＭ）組分。向盛有重組的離心管中加入２５ｍｌ密度為??２．０ｇｃｍ－３ＳＰＴ溶液，５粒直徑為５ｍｍ的玻璃珠，在６０ｒｍｐ往復(fù)震蕩１６ｈ，結(jié)束后將樣品在放于??離心機(jī)中，４０００?ｒｍｐ在２０°Ｃ下離心１?ｈ，上部懸濁液過０．４５?ｎｍ尼龍濾膜，得到閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)??質(zhì)（ｏＰＯＭ）組分。剩下的重組，加入六偏磷酸鈉分解后過０．０５３?ｍｍ篩，得到重組Ｍ＞５３和礦質(zhì)??結(jié)合Ｍ＜５３組分。所有組分在４０°Ｃ下烘干，稱重，研磨，利用元素分析儀（ＥｌｅｍｅｎｔａｒＶａｒｉｏＭＡＣＲＯ，??Ｇｅｒｍａｎｙ）測(cè)定有機(jī)碳和全氣含量。??

３．３不同施肥方式對(duì)表層土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分布特性的影響??３．３．１?土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分布規(guī)律??利用干篩和濕篩兩種團(tuán)聚體分組方法，土壤團(tuán)聚體的回收率均高于９７％。圖３－１?（ａ）可以看??出，干篩團(tuán)聚體以０．２５－２?ｍｍ粒級(jí)為主，占團(tuán)聚體重量總量的５４％－５９％，?＜０．２５?ｍｘｎ粒級(jí)的微團(tuán)??聚體含量最少，僅占團(tuán)聚體總量的８％－２３％。不同施肥方式對(duì)＞２?ｍｍ和０．２５－２?ｍｍ粒級(jí)的干篩大??團(tuán)聚體影響較小，僅對(duì)＜０．２５?ｍｍ的微團(tuán)聚體有顯著影響。其中，ＭＦ處理下＜０．２５?ｍｍ粒級(jí)團(tuán)聚??體含量最高，Ｓ處理下的含量最低。??從圖３－１?（ｂ）可以看出，水穩(wěn)性團(tuán)聚體以０．０５３－０．２５?ｍｍ粒級(jí)為主，占團(tuán)聚體質(zhì)量總置的??４２％－５２％，其次為＜０．０５３＿粒級(jí)，占團(tuán)聚體總量的２３％－３８％，＞２＿的大團(tuán)聚體含量最少，??僅占團(tuán)聚體總量的２％－６％。不同施肥方式可顯著影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分布。與ＣＫ相比，??ＳＭＦ顯著促進(jìn)＞２?ｍｍ粒級(jí)大團(tuán)聚體的形成
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