稻麦轮作系统中弱晶质氧化铁与土壤有机碳的相互作用机制研究

发布时间：2020-11-06 02:11

　　 全世界现有耕地面积约为13.69亿公顷,而中国目前可利用的耕地大概有1.217亿公顷,用占世界9%的耕地供养超过世界21%的人口,采取有效的农业管理措施增加耕地土壤有机碳的储存量并提高其稳定性以提升土壤肥力和农业生态系统生产力已迫在眉睫。以稻麦轮作制度为主的长江中下游地区是我国主要粮食主产区之一。然而,该地区水稻土土壤有机碳的累积和稳定机制尚不明确,严重阻碍了土壤地力和农业生产力的提升。最新的研究表明,土壤有机碳的稳定性主要取决于其所处的环境条件和生物因素,而非有机碳本身的化学抗性。因此,将土壤有机碳整合到土壤团聚体中,土壤有机碳与土壤活性矿物结合,或者埋藏到深层土壤中被认为是土壤有机碳稳定的重要机制。已有研究表明,在土壤及沉积物中氧化铁矿物保存和稳定了超过20%的有机碳。然而,季节性干湿交替引起的氧化还原循环对土壤氧化铁的转化和累积及其对土壤有机碳的累积和稳定的影响的研究较少,其机理尚不明确。本文以长江中下游地区典型的稻麦轮作的水稻土为研究对象,通过长期监测土体及团聚体中有机碳和弱晶质氧化铁含量的变化,研究了稻麦轮作系统中土壤有机碳的累积过程;氧化铁的转化和累积过程及土壤团聚体的形成和周转过程。基于短期室内培养试验,研究了土体及团聚体中有机碳的稳定性。利用固体13C核磁共振(NMR)技术,研究了土体及土壤团聚体组分中有机碳的化学结构组成。利用稳定性同位素质谱技术,研究了土体及土壤团聚体组分中有机碳的稳定性同位素组成。本文主要研究结果如下:1、与单施化学肥料相比,长期有机无机肥料配施显著地(P0.05)提高了 土壤有机碳和弱晶质氧化铁的含量,且水稻收获季土壤有机碳和弱晶质氧化铁的含量均显著地(P0.05)高于小麦收获季,并随培肥时间而持续显著地(P0.05)增加。稻麦轮作系统中季节性的干湿交替有利于氧化铁的氧化还原转化和弱晶质氧化铁的累积。施用有机肥显著地(P0.05)增加了土壤微生物的量,提高了有机碳的矿化速率,促进了水稻季淹水条件下微生物以更多的铁作为电子受体氧化土壤有机碳过程的发生,加速了氧化铁的还原转化。小麦季好氧条件下,有机碳与弱晶质氧化铁相互作用可能不利于弱晶质氧化铁的进一步结晶,因此,促进了弱晶质氧化铁的累积。土壤有机碳与弱晶质氧化铁在稻麦两季土体和团聚体水平均存在显著的(P0.001)正相关关系,这表明弱晶质氧化铁在土壤有机碳的累积中可能起着重要的作用。变差分解分析表明,在稻麦轮作系统中弱晶质氧化铁解释了 52.57%的土壤有机碳的变异,施肥处理和季节也显著地(P0.001)影响土壤有机碳的变化。2、与单施化学肥料相比,长期有机无机肥料配施显著地(P0.05)提高了土壤中微生物的量和土壤团聚体的平均重量直径,且水稻收获季土壤微生物量和团聚体平均重量直径均显著地(P0.05)低于小麦收获季。土壤微生物量与团聚体平均重量直径间存在显著的(P0.001)正相关关系,表明土壤微生物在团聚体形成中可能起着重要的作用。变差分解分析表明,施肥处理和季节分别解释了 11.32%和7.05%的土壤团聚体的变异。单位土壤有机碳的矿化速率随施肥时间的持续而显著地减小,且小麦收获季显著地(P0.05)高于水稻收获季。单位土壤有机碳的微生物量与单位土壤有机碳的矿化速率间存在显著的(P0.001)正相关关系,表明单位土壤有机碳中微生物的量可能是反映土壤有机碳稳定性的重要指标。土壤微团聚体中单位土壤有机碳的矿化速率显著地(P0.05)低于小团聚体和大团聚体,而粉砂粘粒组分中单位土壤有机碳的矿化速率最大。弱晶质氧化铁与单位土壤有机碳的矿化速率间存在显著的(P0.001)负相关关系,表明弱晶质氧化铁在稳定土壤有机碳中也起着重要的作用。3、固体13C核磁共振(NMR)光谱分析表明小麦收获季土壤烷基碳与烷氧基碳的比值显著地高于水稻收获季,且随团聚体粒径的减小而增大。然而,芳香碳的相对强度在水稻收获季显著地高于小麦收获季,且在微团聚体和小团聚体中的相对强度显著大于粉砂粘粒组分。有机碳的芳香性与稳定性碳同位素比值(δ13C)之间存在显著的(P0.001)负相关关系,表明芳香类有机化合物是13C丰度较低的有机化合物。弱晶质氧化铁与有机碳的芳香性间存在显著的(P0.001)正相关关系,而与δ13C之间存在显著的(P0.001)负相关关系,这表明弱晶质氧化铁可能选择性保护13C丰度较低的芳香类有机化合物。4、不同土层弱晶质氧化铁与有机碳间均存在显著的(P0.001)正相关关系,表明弱晶质氧化铁在土壤有机碳的累积中可能发挥一定的作用。土壤有机碳、土壤微生物量和土壤有机碳的矿化速率均随土层深度增加而减小,而单位土壤有机碳的矿化速率随土层深度的增加而增加。土壤微生物量与土壤矿化速率间存在显著的(P0.001)正相关关系,单位土壤有机碳微生物量的百分含量与单位土壤有机碳的矿化速率间存在显著的(P0.001)正相关关系,表明土壤微生物影响土壤有机碳的稳定性。芳香碳的相对强度随土层深度的增加而减小,而烷基碳与烷氧基碳的比值随土层深度的增加而增加。稳定性碳同位素比值(δ13C)随土层深度的增加而增加。弱晶质氧化铁与有机碳的芳香性间存在显著的(P0.001)正相关关系,而与稳定性碳同位素比值(δ13C)间存在显著的(P0.001)负相关关系,表明弱晶质氧化铁可能选择性保护13C丰度较低的芳香类有机化合物。5、稻麦轮作系统中长期施用有机肥显著地提高了土壤可溶性有机碳(DOC)的浓度,也相应地提高了可溶性Fe、A1及Si并降低了可溶性Ca的浓度。可溶性Fe、Al及Si与土壤DOC呈显著的(P0.001)正相关关系,而可溶性Ca与土壤DOC呈显著的(P0.001)负相关关系,表明土壤DOC主要是与Fe、A1和Si相互作用形成有机矿质复合胶体从而稳定了土壤有机碳。扫描电子显微镜结合电子能谱分析(SEM-EDS)表明单施化肥主要提高了 Ca键合的土壤胶体有机碳,而施用有机肥主要提高了 Fe、Al键合的土壤有机碳。透射电子显微镜结合电子能谱分析(TEM-EDS)进一步表明施用有机肥降低了晶型Fe的纳米矿物(黑斑区),相应的提高了非晶型Al和Si的纳米矿物(灰斑区),而单施化肥提高了晶体Fe的纳米矿物(黑斑区)。因此,我们认为稻麦轮作系统长期施用有机肥有利于将与粘土矿物结合的晶体Fe纳米矿物氧化还原转化为弱晶型或非晶型Fe纳米矿物,从而增加稻麦轮作的水稻土土壤胶体有机碳的稳定性。综上所述,稻麦轮作季节性干湿交替引起的氧化还原循环有利于氧化铁的氧化还原转化和弱晶质氧化铁累积,施用有机肥进一步加强了这种作用。稻麦轮作的水稻土土壤团聚体经历了季节性的团聚-分散-重团聚的动态变化。微团聚体中的有机碳相对稳定,而粉砂粘粒中的有机碳最不稳定。弱晶质氧化铁在土壤有机碳的累积和稳定中起着重要的作用,物理化学保护是土壤有机碳长期封存的内在机理,施用有机肥进一步加强了这种保护作用。长期的稻麦轮作并施用有机肥有利于土壤有机碳的封存和稳定。小麦收获季土壤有机碳分解程度大于水稻收获季。弱晶质氧化铁在稻麦轮作的水稻土氧化还原表层优先选择性保护13C丰度相对较低的芳香类有机化合物,而土壤溶液中的其他有机化合物可能随土壤水分向下迁移并在深层土壤中累积下来。土壤DOC主要与土壤可溶性Fe、Al、Si密切相关。施有机肥提高了与Fe、Al结合的稳定的有机碳,而降低了与Ca结合的有机碳。此外,与单施化肥相比,施有机肥降低了胶体中晶型Fe纳米矿物的含量,相对增加了非晶型Al、Si纳米矿物的含量。
【学位单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S153.6
【部分图文】：

第一章文献综述???扰动向下迁移累积形成的。随着土层深度的增加有机质的碳氮比降低，烷基碳与烷??基碳的比例增加，芳香性降低，稳定性同位素比例（ｓ１３ｃ）增加，有机碳的周转速??降低，平均滞留时间增加，因而深层土壤有机碳更稳定（Ｒｕｍｐｅｌ＆Ｋ６ｇｅｌ－Ｋｎａｂｎｅｒ，??０１１；Ｓｃｈｍｉｄｔｅ／ａ／．，?２０１１；Ｓｃｈｒｕｍｐｆ以〇／．，?２０１３）。但是也有研究表明，深层土壤有机碳??加入土壤的新鲜有机质更为敏感，对激发效应的反应更强烈（Ｋａｒｈｕ?ｅ／?〇／．，?２０１６）。??ｌｃａｎｔａｒａ?ｅ／义（２０１６）研究发现深耕提高了土壤有机碳的含量，土壤有机碳的稳定性??要由单位土壤有机碳中微生物的量决定。Ｓｃｈｒｕｍｐｆｅ／ａ／．?（２０１３）报道称团聚体在亚??层土壤有机碳的稳定性中起着一定的作用，而土壤活性矿物在土壤有机碳的稳定中??用最强。也有研究表明深层土壤缺乏有效养分，能量来源和氧气等，这些不利的环??条件不利于微生物矿化土壤有机碳，因而有利于土壤有机碳的储存和稳定。??Ｆｒｅｓｈ?ｒｅｓｉｄｕｅ????

壤样品（０－２０?ｃｍ）含土壤有机碳（ＳＯＣ）?１３．４６?ｇ?ｋｇ＇总氮（ＴＮ）?１．６?ｇ?ｋｇ４，游离氧化??铁（Ｆｅｄ）?１１．９８?ｇ?ｋｇ＇弱晶质氧化铁（Ｆｅｏ）?２．４７?ｇｋｇ—１，土壤酸度ｐＨ?＝?７．３。Ｘ射线衍射??（ＸＲＤ）分析表明土壤主要粘土矿物为：高岭石、伊利石和蛭石（图２－１）。??２．１．３供试肥料??供试化肥分别为尿素（Ｎ，４６％），过磷酸钙（Ｐ２０５，１０％）和氯化钾（Ｋ２Ｏ，６０％）。??供试有机肥分别为猪粪堆肥，秸秆和猪粪有机无机复混肥。猪粪有机无机复混肥是猪??粪堆肥与合适数量的化肥经过混合造粒工艺制作而成的一种复混肥。猪粪堆肥的含水??量为２９．１％，有机碳含量为４５．４％，氮、磷和钾含量分别为２．３％，１．３％和１％。小麦??秸秆含水量为３０．７％，有机碳含量为８２．６％，氮、磷和钾含量分别为０．５２％，０．１１％和??１．０７％。水稻秸秆的含水量为３３．１％，有机碳含量为７８．６％，氮、磷和钾含量分别为??０．６３％，０．１１％和０．８５％。有机无机复混肥有机碳含量为２０％，氮、磷和钾含量分别??为?１２％，４％?和?４％。??１６??

??由图２－２可见，冗余分析的前两个轴，分别可以解释６６．０５％和３．８２％的变量。小??麦季和水稻季的变量是分开的，表明季节是影响铁形态的重要因素，而各处理间没有??分开，表明施肥对铁形态的影响并不显著。土壤速效钾和土壤有机碳与土壤弱晶质氧??化铁的关系更为密切，而可溶性有机碳与晶质氧化铁的关系密切。??－?：??Ｏ??＾?？??家?？?▲：?▲?Ｆｃｐ??Ｉ?ｃｄＨ?ｃｏ?？參▲?▲?’、?厶??＾?Ｏ?＿?厶?Ａ?Ｕ．??＾?—：你???—ｊｏ—?Ｚ?＊?ｍ??？?〒?＊?；?Ｔ＿ｅｎｔ、Ｓ〇Ｃ??〇?ＯＯＣｊ＾?＿?＃?（；Ｋ?Ｓｅａｓｏｎ??？?＿?？?？?Ｎｌ＇Ｋ．??丁?－?ＮＰＫＭ?？?Ｗｈ胡??Ｉ?参?ＮＴＲＳ?▲??ＮＰＫＭＯＩ??，；????ｉ?｜?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??－１．５?１．０?－０．５?０．０?０．５?１．０?１．５??ＲＤＡ１?６６．０５％??图２－２稻麦轮作系统中土壤化学特性与土壤氧化铁的冗余分析。??Ｆｉｇ．?２－２?Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ?ａｎａｌｙｓｉｓ?ｏｆ?ｓｏｉｌ?ｉｒｏｎ?ｏｘｉｄｅｓａｎｄ?ｓｏｉｌ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｆｏｒ?ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ?ｓａｍｐｌｅｓ．??３．２稻麦轮作下土壤有机碳的累积过程??由图２－３可见，与ＣＫ相比，不同施肥处理均显著地（Ｐ＜?０．０５）增加了土壤有机碳??（Ｓ０Ｃ）的含量。ＮＰＫＭ、ＮＰＫＳ和ＮＰＫＭＯＩ处理的土壤有机碳含量显著地（Ｐ?＜?０．０５）高??于ＮＰＫ处理
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本文编号：2872514