全世界現(xiàn)有耕地面積約為13.69億公頃,而中國目前可利用的耕地大概有1.217億公頃,用占世界9%的耕地供養(yǎng)超過世界21%的人口,采取有效的農(nóng)業(yè)管理措施增加耕地土壤有機碳的儲存量并提高其穩(wěn)定性以提升土壤肥力和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力已迫在眉睫。以稻麥輪作制度為主的長江中下游地區(qū)是我國主要糧食主產(chǎn)區(qū)之一。然而,該地區(qū)水稻土土壤有機碳的累積和穩(wěn)定機制尚不明確,嚴(yán)重阻礙了土壤地力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提升。最新的研究表明,土壤有機碳的穩(wěn)定性主要取決于其所處的環(huán)境條件和生物因素,而非有機碳本身的化學(xué)抗性。因此,將土壤有機碳整合到土壤團(tuán)聚體中,土壤有機碳與土壤活性礦物結(jié)合,或者埋藏到深層土壤中被認(rèn)為是土壤有機碳穩(wěn)定的重要機制。已有研究表明,在土壤及沉積物中氧化鐵礦物保存和穩(wěn)定了超過20%的有機碳。然而,季節(jié)性干濕交替引起的氧化還原循環(huán)對土壤氧化鐵的轉(zhuǎn)化和累積及其對土壤有機碳的累積和穩(wěn)定的影響的研究較少,其機理尚不明確。本文以長江中下游地區(qū)典型的稻麥輪作的水稻土為研究對象,通過長期監(jiān)測土體及團(tuán)聚體中有機碳和弱晶質(zhì)氧化鐵含量的變化,研究了稻麥輪作系統(tǒng)中土壤有機碳的累積過程;氧化鐵的轉(zhuǎn)化和累積過程及土壤團(tuán)聚體的形成和周轉(zhuǎn)過程�；诙唐谑覂�(nèi)培養(yǎng)試驗,研究了土體及團(tuán)聚體中有機碳的穩(wěn)定性。利用固體13C核磁共振(NMR)技術(shù),研究了土體及土壤團(tuán)聚體組分中有機碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成。利用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜技術(shù),研究了土體及土壤團(tuán)聚體組分中有機碳的穩(wěn)定性同位素組成。本文主要研究結(jié)果如下:1、與單施化學(xué)肥料相比,長期有機無機肥料配施顯著地(P0.05)提高了 土壤有機碳和弱晶質(zhì)氧化鐵的含量,且水稻收獲季土壤有機碳和弱晶質(zhì)氧化鐵的含量均顯著地(P0.05)高于小麥?zhǔn)斋@季,并隨培肥時間而持續(xù)顯著地(P0.05)增加。稻麥輪作系統(tǒng)中季節(jié)性的干濕交替有利于氧化鐵的氧化還原轉(zhuǎn)化和弱晶質(zhì)氧化鐵的累積。施用有機肥顯著地(P0.05)增加了土壤微生物的量,提高了有機碳的礦化速率,促進(jìn)了水稻季淹水條件下微生物以更多的鐵作為電子受體氧化土壤有機碳過程的發(fā)生,加速了氧化鐵的還原轉(zhuǎn)化。小麥季好氧條件下,有機碳與弱晶質(zhì)氧化鐵相互作用可能不利于弱晶質(zhì)氧化鐵的進(jìn)一步結(jié)晶,因此,促進(jìn)了弱晶質(zhì)氧化鐵的累積。土壤有機碳與弱晶質(zhì)氧化鐵在稻麥兩季土體和團(tuán)聚體水平均存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,這表明弱晶質(zhì)氧化鐵在土壤有機碳的累積中可能起著重要的作用。變差分解分析表明,在稻麥輪作系統(tǒng)中弱晶質(zhì)氧化鐵解釋了 52.57%的土壤有機碳的變異,施肥處理和季節(jié)也顯著地(P0.001)影響土壤有機碳的變化。2、與單施化學(xué)肥料相比,長期有機無機肥料配施顯著地(P0.05)提高了土壤中微生物的量和土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑,且水稻收獲季土壤微生物量和團(tuán)聚體平均重量直徑均顯著地(P0.05)低于小麥?zhǔn)斋@季。土壤微生物量與團(tuán)聚體平均重量直徑間存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,表明土壤微生物在團(tuán)聚體形成中可能起著重要的作用。變差分解分析表明,施肥處理和季節(jié)分別解釋了 11.32%和7.05%的土壤團(tuán)聚體的變異。單位土壤有機碳的礦化速率隨施肥時間的持續(xù)而顯著地減小,且小麥?zhǔn)斋@季顯著地(P0.05)高于水稻收獲季。單位土壤有機碳的微生物量與單位土壤有機碳的礦化速率間存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,表明單位土壤有機碳中微生物的量可能是反映土壤有機碳穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。土壤微團(tuán)聚體中單位土壤有機碳的礦化速率顯著地(P0.05)低于小團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體,而粉砂粘粒組分中單位土壤有機碳的礦化速率最大。弱晶質(zhì)氧化鐵與單位土壤有機碳的礦化速率間存在顯著的(P0.001)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明弱晶質(zhì)氧化鐵在穩(wěn)定土壤有機碳中也起著重要的作用。3、固體13C核磁共振(NMR)光譜分析表明小麥?zhǔn)斋@季土壤烷基碳與烷氧基碳的比值顯著地高于水稻收獲季,且隨團(tuán)聚體粒徑的減小而增大。然而,芳香碳的相對強度在水稻收獲季顯著地高于小麥?zhǔn)斋@季,且在微團(tuán)聚體和小團(tuán)聚體中的相對強度顯著大于粉砂粘粒組分。有機碳的芳香性與穩(wěn)定性碳同位素比值(δ13C)之間存在顯著的(P0.001)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明芳香類有機化合物是13C豐度較低的有機化合物。弱晶質(zhì)氧化鐵與有機碳的芳香性間存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,而與δ13C之間存在顯著的(P0.001)負(fù)相關(guān)關(guān)系,這表明弱晶質(zhì)氧化鐵可能選擇性保護(hù)13C豐度較低的芳香類有機化合物。4、不同土層弱晶質(zhì)氧化鐵與有機碳間均存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,表明弱晶質(zhì)氧化鐵在土壤有機碳的累積中可能發(fā)揮一定的作用。土壤有機碳、土壤微生物量和土壤有機碳的礦化速率均隨土層深度增加而減小,而單位土壤有機碳的礦化速率隨土層深度的增加而增加。土壤微生物量與土壤礦化速率間存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,單位土壤有機碳微生物量的百分含量與單位土壤有機碳的礦化速率間存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,表明土壤微生物影響土壤有機碳的穩(wěn)定性。芳香碳的相對強度隨土層深度的增加而減小,而烷基碳與烷氧基碳的比值隨土層深度的增加而增加。穩(wěn)定性碳同位素比值(δ13C)隨土層深度的增加而增加。弱晶質(zhì)氧化鐵與有機碳的芳香性間存在顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,而與穩(wěn)定性碳同位素比值(δ13C)間存在顯著的(P0.001)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明弱晶質(zhì)氧化鐵可能選擇性保護(hù)13C豐度較低的芳香類有機化合物。5、稻麥輪作系統(tǒng)中長期施用有機肥顯著地提高了土壤可溶性有機碳(DOC)的濃度,也相應(yīng)地提高了可溶性Fe、A1及Si并降低了可溶性Ca的濃度�？扇苄訤e、Al及Si與土壤DOC呈顯著的(P0.001)正相關(guān)關(guān)系,而可溶性Ca與土壤DOC呈顯著的(P0.001)負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明土壤DOC主要是與Fe、A1和Si相互作用形成有機礦質(zhì)復(fù)合膠體從而穩(wěn)定了土壤有機碳。掃描電子顯微鏡結(jié)合電子能譜分析(SEM-EDS)表明單施化肥主要提高了 Ca鍵合的土壤膠體有機碳,而施用有機肥主要提高了 Fe、Al鍵合的土壤有機碳。透射電子顯微鏡結(jié)合電子能譜分析(TEM-EDS)進(jìn)一步表明施用有機肥降低了晶型Fe的納米礦物(黑斑區(qū)),相應(yīng)的提高了非晶型Al和Si的納米礦物(灰斑區(qū)),而單施化肥提高了晶體Fe的納米礦物(黑斑區(qū))。因此,我們認(rèn)為稻麥輪作系統(tǒng)長期施用有機肥有利于將與粘土礦物結(jié)合的晶體Fe納米礦物氧化還原轉(zhuǎn)化為弱晶型或非晶型Fe納米礦物,從而增加稻麥輪作的水稻土土壤膠體有機碳的穩(wěn)定性。綜上所述,稻麥輪作季節(jié)性干濕交替引起的氧化還原循環(huán)有利于氧化鐵的氧化還原轉(zhuǎn)化和弱晶質(zhì)氧化鐵累積,施用有機肥進(jìn)一步加強了這種作用。稻麥輪作的水稻土土壤團(tuán)聚體經(jīng)歷了季節(jié)性的團(tuán)聚-分散-重團(tuán)聚的動態(tài)變化。微團(tuán)聚體中的有機碳相對穩(wěn)定,而粉砂粘粒中的有機碳最不穩(wěn)定。弱晶質(zhì)氧化鐵在土壤有機碳的累積和穩(wěn)定中起著重要的作用,物理化學(xué)保護(hù)是土壤有機碳長期封存的內(nèi)在機理,施用有機肥進(jìn)一步加強了這種保護(hù)作用。長期的稻麥輪作并施用有機肥有利于土壤有機碳的封存和穩(wěn)定。小麥?zhǔn)斋@季土壤有機碳分解程度大于水稻收獲季。弱晶質(zhì)氧化鐵在稻麥輪作的水稻土氧化還原表層優(yōu)先選擇性保護(hù)13C豐度相對較低的芳香類有機化合物,而土壤溶液中的其他有機化合物可能隨土壤水分向下遷移并在深層土壤中累積下來。土壤DOC主要與土壤可溶性Fe、Al、Si密切相關(guān)。施有機肥提高了與Fe、Al結(jié)合的穩(wěn)定的有機碳,而降低了與Ca結(jié)合的有機碳。此外,與單施化肥相比,施有機肥降低了膠體中晶型Fe納米礦物的含量,相對增加了非晶型Al、Si納米礦物的含量。
【學(xué)位單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：S153.6
【部分圖文】：
第一章文獻(xiàn)綜述???擾動向下遷移累積形成的。隨著土層深度的增加有機質(zhì)的碳氮比降低，烷基碳與烷??基碳的比例增加，芳香性降低，穩(wěn)定性同位素比例（ｓ１３ｃ）增加，有機碳的周轉(zhuǎn)速??降低，平均滯留時間增加，因而深層土壤有機碳更穩(wěn)定（Ｒｕｍｐｅｌ＆Ｋ６ｇｅｌ－Ｋｎａｂｎｅｒ，??０１１；Ｓｃｈｍｉｄｔｅ／ａ／．，?２０１１；Ｓｃｈｒｕｍｐｆ以〇／．，?２０１３）。但是也有研究表明，深層土壤有機碳??加入土壤的新鮮有機質(zhì)更為敏感，對激發(fā)效應(yīng)的反應(yīng)更強烈（Ｋａｒｈｕ?ｅ／?〇／．，?２０１６）。??ｌｃａｎｔａｒａ?ｅ／義（２０１６）研究發(fā)現(xiàn)深耕提高了土壤有機碳的含量，土壤有機碳的穩(wěn)定性??要由單位土壤有機碳中微生物的量決定。Ｓｃｈｒｕｍｐｆｅ／ａ／．?（２０１３）報道稱團(tuán)聚體在亞??層土壤有機碳的穩(wěn)定性中起著一定的作用，而土壤活性礦物在土壤有機碳的穩(wěn)定中??用最強。也有研究表明深層土壤缺乏有效養(yǎng)分，能量來源和氧氣等，這些不利的環(huán)??條件不利于微生物礦化土壤有機碳，因而有利于土壤有機碳的儲存和穩(wěn)定。??Ｆｒｅｓｈ?ｒｅｓｉｄｕｅ????
壤樣品（０－２０?ｃｍ）含土壤有機碳（ＳＯＣ）?１３．４６?ｇ?ｋｇ＇總氮（ＴＮ）?１．６?ｇ?ｋｇ４，游離氧化??鐵（Ｆｅｄ）?１１．９８?ｇ?ｋｇ＇弱晶質(zhì)氧化鐵（Ｆｅｏ）?２．４７?ｇｋｇ—１，土壤酸度ｐＨ?＝?７．３。Ｘ射線衍射??（ＸＲＤ）分析表明土壤主要粘土礦物為：高嶺石、伊利石和蛭石（圖２－１）。??２．１．３供試肥料??供試化肥分別為尿素（Ｎ，４６％），過磷酸鈣（Ｐ２０５，１０％）和氯化鉀（Ｋ２Ｏ，６０％）。??供試有機肥分別為豬糞堆肥，秸稈和豬糞有機無機復(fù)混肥。豬糞有機無機復(fù)混肥是豬??糞堆肥與合適數(shù)量的化肥經(jīng)過混合造粒工藝制作而成的一種復(fù)混肥。豬糞堆肥的含水??量為２９．１％，有機碳含量為４５．４％，氮、磷和鉀含量分別為２．３％，１．３％和１％。小麥??秸稈含水量為３０．７％，有機碳含量為８２．６％，氮、磷和鉀含量分別為０．５２％，０．１１％和??１．０７％。水稻秸稈的含水量為３３．１％，有機碳含量為７８．６％，氮、磷和鉀含量分別為??０．６３％，０．１１％和０．８５％。有機無機復(fù)混肥有機碳含量為２０％，氮、磷和鉀含量分別??為?１２％，４％?和?４％。??１６??
??由圖２－２可見，冗余分析的前兩個軸，分別可以解釋６６．０５％和３．８２％的變量。小??麥季和水稻季的變量是分開的，表明季節(jié)是影響鐵形態(tài)的重要因素，而各處理間沒有??分開，表明施肥對鐵形態(tài)的影響并不顯著。土壤速效鉀和土壤有機碳與土壤弱晶質(zhì)氧??化鐵的關(guān)系更為密切，而可溶性有機碳與晶質(zhì)氧化鐵的關(guān)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?參?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％??圖２－２稻麥輪作系統(tǒng)中土壤化學(xué)特性與土壤氧化鐵的冗余分析。??Ｆｉｇ．?２－２?Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ?ａｎａｌｙｓｉｓ?ｏｆ?ｓｏｉｌ?ｉｒｏｎ?ｏｘｉｄｅｓａｎｄ?ｓｏｉｌ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ?ｆｏｒ?ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ?ｓａｍｐｌｅｓ．??３．２稻麥輪作下土壤有機碳的累積過程??由圖２－３可見，與ＣＫ相比，不同施肥處理均顯著地（Ｐ＜?０．０５）增加了土壤有機碳??（Ｓ０Ｃ）的含量。ＮＰＫＭ、ＮＰＫＳ和ＮＰＫＭＯＩ處理的土壤有機碳含量顯著地（Ｐ?＜?０．０５）高??于ＮＰＫ處理
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2872514
