全世界現(xiàn)有耕地面積約為13.69億公頃,而中國(guó)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(guò)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(jī)碳的儲(chǔ)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(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)主要糧食主產(chǎn)區(qū)之一。然而,該地區(qū)水稻土土壤有機(jī)碳的累積和穩(wěn)定機(jī)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(jī)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(jī)碳本身的化學(xué)抗性。因此,將土壤有機(jī)碳整合到土壤團(tuán)聚體中,土壤有機(jī)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(jī)碳穩(wěn)定的重要機(jī)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(guò)20%的有機(jī)碳。然而,季節(jié)性干濕交替引起的氧化還原循環(huán)對(duì)土壤氧化鐵的轉(zhuǎn)化和累積及其對(duì)土壤有機(jī)碳的累積和穩(wěn)定的影響的研究較少,其機(jī)理尚不明確。本文以長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型的稻麥輪作的水稻土為研究對(duì)象,通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土體及團(tuán)聚體中有機(jī)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(jī)碳的累積過(guò)程;氧化鐵的轉(zhuǎn)化和累積過(guò)程及土壤團(tuán)聚體的形成和周轉(zhuǎn)過(guò)程�；诙唐谑覂�(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),研究了土體及團(tuán)聚體中有機(jī)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(jī)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(jī)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(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施顯著地(P0.05)提高了 土壤有機(jī)碳和弱晶質(zhì)氧化鐵的含量,且水稻收獲季土壤有機(jī)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(shí)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(jī)肥顯著地(P0.05)增加了土壤微生物的量,提高了有機(jī)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(jī)碳過(guò)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳的變異,施肥處理和季節(jié)也顯著地(P0.001)影響土壤有機(jī)碳的變化。2、與單施化學(xué)肥料相比,長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)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(jī)碳的礦化速率隨施肥時(shí)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(jī)碳的微生物量與單位土壤有機(jī)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(jī)碳中微生物的量可能是反映土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳的礦化速率最大。弱晶質(zhì)氧化鐵與單位土壤有機(jī)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(jī)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(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度顯著大于粉砂粘粒組分。有機(jī)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(jī)化合物是13C豐度較低的有機(jī)化合物。弱晶質(zhì)氧化鐵與有機(jī)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(jī)化合物。4、不同土層弱晶質(zhì)氧化鐵與有機(jī)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(jī)碳的累積中可能發(fā)揮一定的作用。土壤有機(jī)碳、土壤微生物量和土壤有機(jī)碳的礦化速率均隨土層深度增加而減小,而單位土壤有機(jī)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(jī)碳微生物量的百分含量與單位土壤有機(jī)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(jī)碳的穩(wěn)定性。芳香碳的相對(duì)強(qiáng)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(jī)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(jī)化合物。5、稻麥輪作系統(tǒng)中長(zhǎng)期施用有機(jī)肥顯著地提高了土壤可溶性有機(jī)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(jī)礦質(zhì)復(fù)合膠體從而穩(wěn)定了土壤有機(jī)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(jī)碳,而施用有機(jī)肥主要提高了 Fe、Al鍵合的土壤有機(jī)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(jī)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(zhǎng)期施用有機(jī)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(jī)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(jī)肥進(jìn)一步加強(qiáng)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(dòng)態(tài)變化。微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳相對(duì)穩(wěn)定,而粉砂粘粒中的有機(jī)碳最不穩(wěn)定。弱晶質(zhì)氧化鐵在土壤有機(jī)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(jī)碳長(zhǎng)期封存的內(nèi)在機(jī)理,施用有機(jī)肥進(jìn)一步加強(qiáng)了這種保護(hù)作用。長(zhǎng)期的稻麥輪作并施用有機(jī)肥有利于土壤有機(jī)碳的封存和穩(wěn)定。小麥?zhǔn)斋@季土壤有機(jī)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(duì)較低的芳香類有機(jī)化合物,而土壤溶液中的其他有機(jī)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(lái)。土壤DOC主要與土壤可溶性Fe、Al、Si密切相關(guān)。施有機(jī)肥提高了與Fe、Al結(jié)合的穩(wěn)定的有機(jī)碳,而降低了與Ca結(jié)合的有機(jī)碳。此外,與單施化肥相比,施有機(jī)肥降低了膠體中晶型Fe納米礦物的含量,相對(duì)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(jí)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(dòng)向下遷移累積形成的。隨著土層深度的增加有機(jī)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(jī)碳的周轉(zhuǎn)速??降低，平均滯留時(shí)間增加，因而深層土壤有機(jī)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(jī)碳??加入土壤的新鮮有機(jī)質(zhì)更為敏感，對(duì)激發(fā)效應(yīng)的反應(yīng)更強(qiáng)烈（Ｋａｒｈｕ?ｅ／?〇／．，?２０１６）。??ｌｃａｎｔａｒａ?ｅ／義（２０１６）研究發(fā)現(xiàn)深耕提高了土壤有機(jī)碳的含量，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性??要由單位土壤有機(jī)碳中微生物的量決定。Ｓｃｈｒｕｍｐｆｅ／ａ／．?（２０１３）報(bào)道稱團(tuán)聚體在亞??層土壤有機(jī)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(jī)碳的穩(wěn)定中??用最強(qiáng)。也有研究表明深層土壤缺乏有效養(yǎng)分，能量來(lái)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(jī)碳，因而有利于土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存和穩(wěn)定。??Ｆｒｅｓｈ?ｒｅｓｉｄｕｅ????
壤樣品（０－２０?ｃｍ）含土壤有機(jī)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(guò)磷酸鈣（Ｐ２０５，１０％）和氯化鉀（Ｋ２Ｏ，６０％）。??供試有機(jī)肥分別為豬糞堆肥，秸稈和豬糞有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥。豬糞有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥是豬??糞堆肥與合適數(shù)量的化肥經(jīng)過(guò)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(jī)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(jī)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(jī)碳含量為７８．６％，氮、磷和鉀含量分別為??０．６３％，０．１１％和０．８５％。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥有機(jī)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(jiàn)，冗余分析的前兩個(gè)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(kāi)的，表明季節(jié)是影響鐵形態(tài)的重要因素，而各處理間沒(méi)有??分開(kāi)，表明施肥對(duì)鐵形態(tài)的影響并不顯著。土壤速效鉀和土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳的累積過(guò)程??由圖２－３可見(jiàn)，與ＣＫ相比，不同施肥處理均顯著地（Ｐ＜?０．０５）增加了土壤有機(jī)碳??（Ｓ０Ｃ）的含量。ＮＰＫＭ、ＮＰＫＳ和ＮＰＫＭＯＩ處理的土壤有機(jī)碳含量顯著地（Ｐ?＜?０．０５）高??于ＮＰＫ處理
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2872514
