水铁矿对酸性土壤中硝化作用的影响

发布时间：2018-11-07 19:32

【摘要】：土壤中进行的硝化作用是N素转化的关键环节,是造成N损失及环境问题的重要原因。土壤中发生的硝化过程是对pH高度敏感的典型生物学过程,越来越多的证据表明酸性土壤中存在硝化作用,但在有些酸性土壤中还没有发现硝化作用存在的证据,且已发现的硝化作用具有很大的空间变异,机理还不完全清楚,用pH和N的有效性以及微生物群落组成的差异并不能完全解释,说明还有其它重要的影响因素未被发现。我们的前期研究发现铁的氧化物可能是影响酸性土壤中的硝化作用的重要非生物因子,酸性土壤在热带亚热带地区分布广泛,这些地区的土壤氧化还原状况交替快速而频繁,丰富的铁含量,充足的降雨,密集的根系以及粘质土壤均为铁在其中起作用创造了良好条件,氧化铁协同作用下的生物-非生物作用可能是酸性土壤中硝化作用变异的关键。本文旨在研究不同量的铁的氧化物和不同水分条件下对酸性土壤硝化作用的影响。利用地表环境中最为常见的弱晶质铁氧化物-水铁矿[Ferrihydrite/Hydrous ferric oxide (HFO)]作为供试氧化铁材料；黄壤和紫色土来自重庆市永川区和重庆市北碚区,红壤来自江西省鹰潭市,对10种不同土壤的基本理化性质进行分析,并对其硝化势进行了测定,依据测定结果选择全铁含量和有效铁含量均较高的酸性红壤,全铁含量低而有效铁含量较高的酸性潮土作为供试土壤,并以相同母质上发育而来的中性潮土最为酸性潮土的对照。供试土壤采用新鲜土壤样品,去除杂质,过2mm筛,4℃冰箱保存备用；水铁矿采用人工制备方式合成,用XRD检测成分,加入到土壤前调节pH与所加土壤相一致。分别进行以下实验：(1)不同水铁矿加入量(0,0.5%,1%,3%,5%,10%)时,外源添加6 mmol N kg-1干土的硫酸铵,60%WHC (water holding capacity),28℃恒温培养实验； (2)不同水铁矿加入量(0,0.5%,1%,3%,5%,10%)时,外源添加6 mmol N kg-1 于土的硝酸钾,100%WHC,28℃恒温培养实验；(3)酸性潮土3%水铁矿加入时,不同水分含量(40%,80%,120%,200%WHC)28。C恒温培养实验。测定土壤硝态氮,铵态氮,矿质氮及pH的变化情况。主要结果如下：(1)水铁矿对红壤硝化作用的影响。在以硫酸铵为N源的7天培养实验中,随培养时间的进行,硝态氮含量呈下降的趋势,培养结束时计算所得的净硝化速率为负值(-0.27土0.02--0.43士0.01 mgN kg-1d-1),且随铁加入量的增大,净硝化速率减小,但由于培养过程中硝态氮的变化量不大(5 mg N kg-1),不同处理间的显著性差异可能是由于初始值不同导致的。加硝酸钾培养中,在水铁矿的不同梯度,硝态氮,铵态氮的变化没有一定规律,培养结束时各处理之间差异不大。说明红壤中未发生硝化作用,水铁矿的加入对红壤硝化作用影响不大。(2)水铁矿对潮土硝化作用的影响。酸性潮土壤加硫酸铵培养中,0.5%HFO处理与无铁处理相比,净硝化速率差异不显著(分别为2.74±0.09,2.78±0.05mg N kg-1d-1;p0.05),而1%HFO处理显著的降低了土壤的净硝化速率(2.46±011 mgNkg-1d-1;p0.05)。当加铁量从1%增加至3%时,净硝化速率减小了37%,减小幅度最大,差异达到极显著水平(p0.01)。中性潮土无铁处理净硝化速率为5.62±0.05 mg N kg-1d-1,显著高于中性潮土的其它处理,且是酸性潮土的近两倍。两种土壤中水铁矿的加入均表现出对净硝化的抑制作用。而铵态氮的变化情况不同,水铁矿的加入使酸性潮土铵态氮含量降低,加入量越大铵态氮降低越多；而中性潮土中变化情况相反,水铁矿的加入使其铵态氮含量增加,加入量越大铵态氮增加越多。中性潮土中,净硝化作用降低的主要原因为水铁矿对硝化微生物产生毒害作用,铁的加入抑制了氨的氧化,使得N更多的以NH4+的形态存在。酸性潮土中水铁矿对硝化作用的抑制作用并不能用水铁矿对硝化微生物产生毒害作用完全解释,还可能在酸性条件下发生了与铁还原相关的氨氧化生成N的氧化物而损失或在Fe氧化物作用下的NO3--N迅速固定。加硝酸钾培养中,酸性潮土中硝态氮减少量为7.22-10.80 mgNkg-1,随铁加入量的增加,硝态氮减少量增大,但3%时差异才达到显著性水平。说明硝态氮的减少与铁有一定关系,但量不大,且在铁加入量较高时才能表现出来。(3)水铁矿的加入改变了酸性潮土中不同水分条件下的硝化情况：无水铁矿加入时,随土壤水分含量的升高,净硝化速率呈现先上升,再下降的趋势,200%WHC含水量条件下净硝化速率最小；3%水铁矿加入后,净硝化速率随土壤水分含量的升高而升高,200%WHC含水量条件下净硝化速率最大。因为水铁矿是一种易溶、比表面积大且表面活性高的弱晶质铁氧化物,而水分的增加使O2供应受到限制,从而促进了厌氧条件的形成,发生铁作用下的氨氧化生成硝酸盐的过程,且在80%-120%WHC时此过程也可能发生。本研究阐述了不同氮源(硫酸铵和硝酸钾)存在时,不同铁含量对红壤,酸性和中性潮土中硝化作用的影响,以及不同水分条件对水铁矿加入后的酸性潮土硝化作用的影响,主要可得到如下结论：(1)红壤中未发生硝化作用,水铁矿的加入对红壤硝化作用影响不显著； (2)水铁矿加入对酸性和中性潮土净硝化均表现出抑制作用；水铁矿加入量越大抑制作用越明显,但抑制机理可能不同；(3)水铁矿的加入改变了酸性潮土中不同水分条件下的硝化情况,水分含量增加更有利于进行铁作用下的氨氧化生成硝酸盐的过程。本实验表明氧化铁协同作用下的生物-非生物作用对酸性土壤中的硝化作用有着重要影响,且因土壤而异,铁的作用不仅在淹水条件下存在,在旱作土壤条件下同样存在,是酸性土壤中硝化作用变异的关键。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S153

【参考文献】