土壤短程有序矿物形成的化学与生物学机制研究

发布时间：2018-03-27 19:11

本文选题：土壤有机碳　切入点：短程有序矿物　出处：《南京农业大学》2016年博士论文

【摘要】：目前,我国18.26亿亩耕地中72.7%的耕地为中低产田。中低产田特点之一是地力水平普遍较低。提高土壤地力的有效措施是增加土壤有机质含量和提升土壤有机质的稳定性。然而,土壤有机质的积累和周转机制还不清楚,成为阻碍土壤有机质和土壤肥力提升的重要因素。研究已表明,有机物本身的分子结构并不能决定土壤有机质的稳定性;土壤有机质的稳定性是由环境和生物控制为主的生态特征。其中,矿物-有机复合体的形成是土壤有机质稳定和累积的主要机制之一。在全球尺度上,活性铁矿物(主要为短程有序矿物)可以保护约20%左右的有机碳。然而,土壤中短程有序矿物的调控途径及其机制还不清楚。本论文以长期定位施肥试验的土壤样品为研究对象,结合同步辐射技术、纳米离子探针技术、高分辨透射电子显微镜技术和广义二维相关光谱技术的创新表征平台,研究了长期施肥措施对土壤中不同形态铁氧化物的含量的调控效果;进一步,基于微宇宙盆栽培养试验,结合同位素示踪和高通量测序技术,研究了盆栽实验中丛枝菌根真菌(AMF)、根系和同位素标记秸秆对促进土壤中短程有序铁矿物形成的作用机制;最后,利用室内菌矿纯培养试验,结合高分辨透射电子显微镜(HRTEM)技术和二维相关光谱(2D COS)分析技术,研究了室内菌矿培养试验中短程有序矿物的生物化学合成途径及其形成机制。本文的主要研究结果如下:1)国家肥力网湖南祁阳长期定位试验站中的旱地红壤结果表明,与不施肥对比(CK),长期施用化肥(NPK)不仅会导致红壤酸化,而且使土壤胶体中的可溶性有机碳(DOC)减少,降低了土壤肥力;而长期施用有机肥(M)或有机无机配施(NPKM)可以显著改善红壤的酸度,提高土壤供氮和储碳的能力。长期施肥的土壤pH值顺序为 NPK(4.60) CK(5.33) NPKM(5.73) M(5.94)。各处理土壤DOC和可溶性矿质元素的含量线性相关,且添加有机肥料的NPKM和M处理会比单一化肥培肥处理NPK的含量要高。这可能是由于有机肥料的添加改善了土壤胶体组分,让土壤营养元素更加丰富。2)长期施用化肥不能增加红壤中活性矿物的量和活性,而长期施用有机肥或有机无机配施可以活化土壤中的铁铝硅矿质元素从而提高土壤中活性矿物的含量,使其含有更高比表面、更高吸附能力的水铁矿。同时,长期施用有机肥可以使有机质中稳定的芳香单元及取代烷烃C-C (H)转化为活性较高的酚(C-O)、醚(C=O)、羰基/羧基碳(COO-),加强有机碳与矿物的结合能力,进而提升土壤的固碳能力。3)长期定位施肥试验的XRD、NMR以及HRTEM的结果表明,M、MNPK处理的土壤胶体中非晶形矿物含量较多,表明施用有机肥可以促进晶形矿物向非晶形矿物转化。非晶形矿物中主要元素为Si、Al,其中Si的化学位移主要位于-91ppm,结构为Q4(6Al),Al的化学位移主要位于1ppm(ⅣAl);晶形矿物中的主要元素为Fe,也含有少量的Si、Al,其中Si的化学位移在-100～-110ppm处的峰较大,为长石类硅。4)微宇宙盆栽试验结果表明,丛枝菌根通过促进了有机质的分解,增加了土壤CO2排放量,同时减少了土壤C库;接种AMF能够降低土壤N2O的释放。根系活动增加CO2和N2O排放通量,易分解有机质的添加作为微生物活动的基质会同时增强厌氧反硝化作用和好氧稍化过程而促进N2O的排放。5)基于微宇宙盆栽试验,在AM真菌、根系、秸秆不同作用方式下,土壤胶体DOC的积累表现出了显著性的差异,根系活动和有机物料的添加可以显著提高土壤有机碳,但是单一的AM真菌作用对提高土壤胶体DOC效果不明显。土壤胶体中的可溶性矿质元素与DOC相关性不高,但是不同形态的矿质元素,如活性铁、短程有序铁和有机络合态铁和DOC呈显著正相关关系。说明矿质元素与有机碳组分间的结合关系相当复杂。FeK-边XANES谱线性拟合(LCF)的结果表明,AM真菌、根系和秸秆共同作用可以增加非晶形铁(水铁矿)的含量。同步辐射显微红外谱图和NanoSIMS谱图显示出AM真菌表面碳氮和铁铝的分布情况,直观的表征了微生物与特定矿物质的相互作用。6) MiSeq高通量测序结果表明,AM真菌和秸秆降解对细菌丰度和多样性增加的现象说明AM真菌分泌物和秸秆的添加为微生物生长和繁殖提供了大量的碳源和能源,刺激了微生物的生长。土壤中细菌丰度最高的5个门为变形菌门(Proteobacteria) 、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes),占细菌总序列的78%左右。球囊菌门(Glomeromycota )、担子菌门(Basidiomycota )及壶菌门(Chytridiomycota )是各处理AM真菌丰度最高的3个门,最高的处理占了总AM真菌序列的75%左右。秸秆的降解增加变形菌门和球囊菌门的相对丰度,即在处理(+AMF+Root+Straw)中,AM真菌、根系和秸秆共同作用促进了丛枝菌根(球囊菌门)的生长代谢。该结果辅助解释微生物在土壤短程有序矿物形成中的作用。7 ) HRTEM结果表明,培养24h、48h后的培养液和烟曲霉(Asperillus fumigatus Z5)菌丝体中均出现大量纳米矿物(2-5 nm );利用C-1 s NEXAFS谱发现培养过程中产生大量的有机酸、导致溶液pH值显著降低;真菌丝状生长的习性和产生有机酸、质子和其他代谢产物的能力,使其对矿物和岩石有明显的生物矿化效果。真菌生长过程中所产生的低分子量酸性代谢产物对矿物晶格有破坏作用,纳米矿物的含量有明显的增加。利用27Al NMR, 29Si NMR和XAFS技术,检测到不同矿质元素间的同步和异步变化信息,发现了矿质元素Al/Si/Fe的局部配位环境发生改变的次序,建立了纳米矿物形成的生物化学合成途径,为土壤纳米矿物形成机制提供了理论依据,进而也为土壤有机质提升奠定了理论基础。综上所述,通过长期定位试验、微宇宙盆栽试验和室内培养试验,发现土壤中的矿质元素与土壤有机碳循环之间存在一定的相互调控的作用。长期有机施肥可以增加短程有序矿物,而长期施用化肥则降低短程有序矿物。微宇宙培养试验结果进一步表明,AM真菌和根系活动以及新鲜碳源(秸秆)的降解促进了土壤短程有序矿物的形成。实验室菌矿纯培养试验支持了上述结果,即真菌活动和其产生的胞外分泌物是短程有序矿物形成的主要因素。土壤中短程有序矿物促进固碳的同时土壤中新加入的有机质也可能促进土壤中的非活性矿物质的活化,二者相辅相成来提高土壤的固碳能力,从而提升土壤肥力。
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【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S153;S154

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