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高碳氮投入农田生态系统土壤团聚体有机碳及微生物特性研究

李景  
【摘要】:农田土壤有机碳是土壤肥力的核心,也是全球碳循环的重要组成部分。土壤团聚体对有机碳的物理保护是土壤固碳的重要机制之一。关于施肥对土壤有机碳及团聚体分布的研究已经较多,但土壤团聚体内部微生物的分布及有机碳矿化特征仍不清楚。此外,我国冬小麦-夏玉米一年两作轮作体系,具有高量施肥的农田管理特点,而高碳氮投入农田生态系统土壤团聚体有机碳固定机制报道较少,高量碳氮投入主要分配在团聚体中哪个组分,是否稳定还不清楚。本文以10年田间定位高量施肥试验为基础,系统研究农田土壤团聚体中碳氮分布特征、有机碳组分分布规律、微生物群落结构及有机碳矿化规律,试图从团聚体尺度揭示高碳氮投入农田生态系统土壤有机碳的固定及稳定机制,阐明微生物群落在其中的作用机制,为全面理解土壤固碳机制补充数据,为制定合理可行的养分管理措施提供技术支持。试验区位于山西运城市,土壤类型为壤质褐土。田间施肥试验开始于2007年,取样时间为2016年3月,试验共分为7个处理:(1)CK,不施肥,(2)F,单施高量氮磷化肥,(3)S,单施玉米秸秆,(4)M,单施有机肥,(5)SF,玉米秸秆+高量化肥,(6)MF,有机肥+高量化肥,(7)SMF,玉米秸秆+有机肥+高量化肥。采用干筛法或得三种团聚体:2mm级别团聚体,0.25-2 mm级别团聚体和0.25 mm界别团聚体。利用颗粒密度方法对土壤团聚体内部有机碳进行分组;利用磷脂脂肪酸法(PLFA)测定土壤团聚体内部微生物群落结构;利用荧光微型板酶检测技术测定与碳氮循环相关的土壤酶活性;利用124天的室内培养试验分析土壤团聚体有机碳的矿化特征。得到具体结果如下:(1)高碳氮投入的有机无机配施处理显著提高了土壤表层有机碳及全氮含量,并促进了土壤大团聚体的形成,提高团聚体内有机碳及全氮含量。单独施用高量化肥并不能提高土壤有机碳及全氮含量,高碳氮投入的秸秆或有机肥配施化肥处理显著提高土壤碳氮含量,以SMF处理下的碳氮含量最高。干筛法表明,施肥方式对土壤干筛团聚体质量分布的影响较小,黄土高原东部平原区碱性壤质褐土干筛团聚体的主要胶结物质为CaCO3。0.25-2 mm大团聚体储存了超过50%有机碳和全氮,对土壤碳氮含量有决定作用。有机无机配施提高了所有粒级团聚体中有机碳及全氮含量,在0.25-2 mm提高幅度最大。湿筛法表明,对于水稳性团聚体,有机无机配施提高了土壤有机质含量,进而促进了水稳性大团聚体的形成。有机无机配施显著提高0.053 mm各级别水稳性团聚体内有机碳含量,对2 mm大团聚体的提高幅度最大。(2)高碳氮投入的有机无机配施处理不同程度提高了土壤团聚体中游离轻组颗粒有机碳,闭蓄态颗粒有机碳,53 μm重组有机碳和53 μm粘粉粒有机碳,其中对游离轻组颗粒有机碳的提高幅度最大。所有有机质组分中,游离轻组颗粒有机碳对施肥最为敏感,能较好地反映长期施肥下土壤有机碳的变化,而53 μm重组组分受施肥影响最小,是团聚体中较为稳定的有机碳库。大团聚体中游离轻组和闭蓄态颗粒有机碳所占比例较高,而微团聚体中53 μm重组有机碳和53 μm粘粉粒有机碳所占比例较高,这符合经典的“团聚体等级模型”。有机肥或秸秆的施入提高了游离轻组颗粒有机碳,闭蓄态颗粒有机碳和53 μm重组有机碳所占比例,同时降低了53 μm粘粉粒有机碳比例。闭蓄态颗粒有机碳占0.25-2mm级别团聚体有机碳的42%,说明高碳氮投入农田生态系统下土壤有机碳主要以0.25-2 mm大团聚体中闭蓄态颗粒有机碳的形式存在。(3)高碳氮投入的有机无机配施提高了土壤团聚体微域空间内微生物群落丰度及碳氮循环相关的酶活性。0.25-2 mm团聚体是微生物群落数量最多和胞外酶活性最高的粒级。微生物PLFA总量,革兰氏阳性细菌,革兰氏阴性细菌,放线菌,腐生真菌,AMF群落丰度及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团聚体中最高。有机无机配施方式提高了所有团聚体中微生物各群落丰度,对群落组成的影响较小。有机无机配施也显著提高了团聚体各粒级内的土壤酶活性,对乙酰氨基葡糖苷酶活性的提高幅度最大。施用玉米秸秆可显著提高β-木糖苷酶的活性。有机碳及全氮含量是影响团聚体微域空间内微生物群落结构及酶活性的主要因素。在2 mm大团聚体内,对微生物群落含量与酶活性影响最大的密度组分为游离轻组颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳;在0.25-2 mm大团聚体内,主要因素为闭蓄态颗粒有机碳;在0.25 mm微团聚体内,对微生物群落结构影响最大的组分为闭蓄态有机碳,对酶活性影响最大的组分为53 μm重组有机碳。(4)高碳氮投入的有机无机配施可显著提高土壤团聚体的有机碳矿化量,且对0.25-2 mm团聚体提高幅度最大。土壤团聚体有机碳矿化速率在培养前期快速下降,后期相对稳定。有机无机配施下虽然由于矿化作用损失的有机碳较多,但碳损失量占有机碳的比例较小,有利于有机碳的累积。土壤团聚体有机碳和微生物群落数量及酶活性是影响土壤团聚体有机碳矿化的主要原因。闭蓄态颗粒有机碳是土壤大团聚体矿化有机碳的主要来源,53 μm粘粉粒是微团聚体中有机碳矿化的主要来源。0.25-2 mm大团聚体是微生物进行矿化分解最活跃的场所,微生物利用闭蓄态颗粒有机碳作为主要碳源进行矿化分解,提高了有机碳的周转速率。综上所述,高碳氮投入的有机无机配施可提高农田土壤有机碳水平,提高的有机碳主要以闭蓄态颗粒有机碳形式存在于0.25-2 mm大团聚体中,这部分有机碳并不稳定,在频繁耕作下,易被微生物矿化分解。这为评价集约化农业管理方式下施肥的长期固碳效应提供了新的依据。


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