水分与温度对土壤碳氮磷转化的影响及其机理

发布时间：2018-05-16 10:54

  本文选题：干湿交替 + 干旱强度　； 参考：《浙江大学》2016年博士论文

【摘要】：干湿交替和冻融交替是自然条件或人为影响下土壤经常遭受的水分和温度胁迫的两个典型过程。干旱半干旱地区或集约化的设施栽培条件下,表层土壤常常经历因水分蒸发蒸腾作用强烈而缓慢落干,又随自然降雨或频繁灌溉而快速湿润的反复干湿交替过程。我国北方地区在秋冬之交和冬春之交因环境温度低、昼夜温差大,常导致土壤出现夜间结冻、日间融化的冻融交替现象。研究表明,干湿交替和冻融交替过程显著影响土壤物理、化学和生物学性质,改变土壤微生物活性及其群落结构,影响土壤养分的转化迁移及其生物有效性,进而影响肥料养分进入土壤的归趋及其环境效应。以往关于干湿交替和冻融交替对土壤养分转化的影响已有不少研究报道,但是关于冻融交替以及干湿交替过程中干旱强度、温度与施肥等因素对土壤碳、氮、磷养分转化的影响机制,以及对活性磷库及其生物有效性的影响尚不完全清楚。本论文以我国北方干旱、半干旱地区农田、菜地、草地和林地土壤为研究对象,采用室内微宇宙模拟试验,运用化学测试、酶学以及微生物生态学技术相结合的方法,研究了干湿交替过程中不同干旱强度、秸秆还田、温度与施肥以及不同冻融循环条件下土壤碳、氮、磷的转化、提取态有机磷的生物有效性、团聚体分布、以及微生物群落变化。取得的主要结果如下:(1)以中国北方内蒙古自治区典型草地土壤为材料,采用干旱梯度培养与土壤灭菌相结合的方法,研究了干湿交替过程中不同干旱强度[4%、10%、20%、30%、40%WHC(土壤持水量)处理以及60%WHC恒湿对照]对土壤养分转化的影响及其微生物学机制。结果表明,土壤可溶性有机碳、单糖、矿化氮、活性无机磷及有机磷含量随干旱强度的增加而升高,土壤微生物生物量碳氮磷及溶解态有机氮含量随干旱强度的增加而降低。土壤灭菌试验结果显示,干湿交替条件下再接种土壤的可溶性有机碳、矿化氮、可溶性有机氮、可溶性总氮的变化幅度远大于灭菌土壤的变化幅度,但灭菌与再接种土壤活性磷库的变化幅度相当。干湿交替降低了再接种土壤微生物生物量碳、氮、磷含量,而对灭菌土壤无显著影响。磷脂脂肪酸图谱分析显示,极度干旱条件下(4%WHC)土壤微生物群落结构发生变化,脂肪酸16:0,18:0,18:1ω7c和18:1ω9c的含量升高。因此,干湿交替过程中土壤活性碳氮磷库容的增加均与耐旱微生物类群丰度的增高有关。其中,土壤活性碳氮水平的增加主要与微生物生物量碳、氮的转化有关,而活性磷水平的增加与微生物生物量磷的转化关系不明确。(2)以中国北方小麦/玉米轮作农田、林地土壤为材料,通过室内模拟试验与特异性酶解技术相结合的方法,研究了土壤干湿交替过程中不同干旱程度(5%、10%、20%、30%、40%WHC处理以及50%WHC恒湿对照)对土壤磷素转化以及有机磷库的生物有效性的短期影响。结果表明,供试鲜土的提取态无机磷和提取态有机磷含量分别在10.5～74.5 mg kg-1和11.3～37.3 mg kg-1之间,提取态有机磷占提取态总磷的33.3～56.4%,酶解态有机磷占提取态有机磷的34～79%,其中7.7～29.9%为单酯态磷,6.5～14.9%为磷酸二酯态磷,17.8～36.5%为植酸态磷,说明NaHCO_3-Po组分具有较高的潜在生物有效性。土壤干湿交替过程中极度干旱处理的土壤提取态无机磷和有机磷库分别提高了26.3～48.1%和5.7～52.9%,其中,土壤单酯态磷、二酯态磷和植酸态磷含量分别提高了12.5～89.8%,0～65.2%和24.6～65.6%。相关性分析表明,干湿交替过程中土壤活性磷库的增加主要与土壤有机碳及铁铝氧化物含量的变化有关,而微生物磷酸二酯化合物的贡献较小。(3)以中国北方小麦玉米轮作农田、林地土壤为研究对象,通过室内模拟土壤冻融交替试验,结合特异性酶解技术,研究了土壤冻融交替过程(-10℃/5℃)对土壤磷素转化以及有机磷库的生物有效性的短期影响。结果显示,冻融交替可显著提高提取态土壤活性总磷水平,土壤提取态无机磷和有机磷含量分别提高了0～73.8%和0～41.1%。其中,单酯态磷和植酸态磷分别提高了0～62.4%和0～63.7%,而磷酸二酯态磷在培养过程中变化较小。冻融交替过程中土壤活性磷库库容的增加主要与土壤有机质、氧化铁铝含量、冻融交替循环数和土地利用类型的变化有关。(4)以河北省辛集市设施栽培的菜地土壤为材料,通过室内模拟试验,研究了不同施肥模式(对照、KH2PO4或猪粪)和环境温度条件(10℃和25℃)对干湿交替过程中(50%-15%-50%WHC)土壤磷素形态转化的影响及其机制。结果显示,干湿交替显著提高了对照和猪粪处理的提取态无机磷含量,但对KH2PO4处理无显著影响。干湿交替条件下,对照和施肥处理的提取态有机磷含量均显著升高,经2～4次干湿交替循环后猪粪处理下的升幅更大,且猪粪处理下室温处理的升幅更大。猪粪处理土壤的碱性磷酸酶活性、各磷脂脂肪酸组分含量以及脂肪酸a15:0和不饱和脂肪酸(16:1ω5c、16:1ω7c、18:1ω7c、18:1ω9c和18:2ω6,9c)的相对丰度显著高于KH2PO4和对照处理。提高温度可增加施用猪粪土壤的碱性磷酸酶活性、i-分支脂肪酸、和16:1ω5c脂肪酸含量。由此可知,施肥和温度可显著影响干湿交替过程中土壤活性磷库容大小。施用有机肥主要通过提高磷酸酶活性、增加具有机质降解和溶磷能力的微生物类群丰度,进而促进干湿交替过程中土壤磷素的释放;升高温度则主要通过提高磷酸酶活性以及真菌、芽孢杆菌等异养微生物类群的丰度,从而提高干湿交替过程中施用有机肥土壤的活性磷水平。(5)以中国北方小麦玉米轮作农田土壤为材料,通过室内模拟小麦秸秆还田试验,研究了作物秸秆对干湿交替过程中土壤微生物群落结构和功能、土壤团聚体分布的影响及其机制。结果显示,秸秆处理提高了土壤持水量、大团聚体含量(2000μm)、可溶性有机碳含量、微生物生物量碳含量、胞外酶活性、单不饱和脂肪酸(16:1ω5c,18:1ω7c,18:1ω9c)和多不饱和脂肪酸(18:2ω6,9c)的相对丰度。秸秆处理促进了干湿交替过程中土壤可溶性有机碳含量的增加、土壤落干速率的减缓、复水后cy19:0/18:1ω7c比值的降低以及mono/sat比值和微生物代谢熵qCO2的提高。干湿交替过程中,落干降低了微生物生物量碳、胞外酶活性,但秸秆处理促进了其在复水后的恢复。干湿交替过程中,大部分脂肪酸含量随大团聚体含量的增减而升降,且此协同效应在秸秆处理土壤中尤为明显。到培养结束时,秸秆处理提高了干湿交替土壤的脂肪酸i15:0、i17:0、16:1ω5c和18:1ω7c含量以及大团聚体(2000μm)含量。磷脂脂肪酸主成分分析表明,秸秆处理增强了土壤微生物群落的耐旱能力,但无论秸秆添加与否土壤微生物群落均具有较强的恢复能力。可见,秸秆处理可通过增加碳源供应、提高土壤大团聚水平进而改善微生物栖息环境、驱动土壤微生物向真菌为主导的群落结构转变,从而增强微生物群落对土壤干湿交替胁迫的适应能力;秸秆处理可通过促进落干土壤复水后具有较强水解酶分泌能力的异养微生物类群的增殖,从而增加胞外酶的分泌,并促进土壤大团聚体形成。
[Abstract]:The effects of dry - wet alternation and freeze - thaw alternation on soil carbon , nitrogen and phosphorus were studied . The changes of soil microbial biomass carbon , nitrogen and phosphorus content in soil were studied . The results showed that the content of active carbon and phosphorus in soil was from 10.5 to 74.5 mg 路 kg - 1 and 11.3 - 37.3 mg 路 kg - 1 respectively . In this paper , the effects of soil freezing - thawing alternation process ( -10 鈩，

本文编号：1896550