人类农业活动对不同土壤活性碳、氮库及其净矿化的影响

摘要

为探索人类农业活动(土地利用变化和施肥)对土壤活性N库、供N能力和尿素在土壤中转化的影响，本研究选取3个典型区域的生态系统为研究对象，分别是西藏高原(相邻的原始森林、天然草原和农田)、河北坝上高原(相邻的天然次生林、人工林、天然草原和农田)和华北平原(京郊蔬菜大棚、河北栾城粮田、南皮粮田和山东惠民粮田)。采用室内常规土壤理化性质测定法、控制条件培养法和PcR-DGGE分子生物学技术相结合的方法，研究了上述不同区域、不同生态系统的C、N库、净矿化、净硝化、尿素转化特征以及土壤氨氧化细菌(AOB)区系的差异。主要取得如下结果： 1、西藏高原相邻的自然生态系统与人工农田生态系统相比，原始森林的土壤有机质和全N含量高于草原和农田士壤。而农田土壤的速效养分(无机N、有效P和有效K)含量最高，其中，土壤剖面中的无机N，特别是NO<,3><'->-N浓度显著高于自然生态系统。原始森林和草原生态系统中，土壤各水平的c、N库及c、N 净矿化之间存在一定的相关关系，但随着人工扰动转化为农田生态系统，十壤中各水平的c、N库及c、N净矿化之间的相关关系较弱。西藏高原农田生态系统的0-20 cm土壤的净N矿化率为1.47 mg kg<'-1>d<'-1>，接近原始森林和草原生态系统的2倍，原始森林和草原生态系统的土壤净矿化没有显著差异。农田生态系统净矿化的结果是以NO<,3><'->-N为主，NO<,3><'->-N 占无机N 净增量的99.3％；原始森林土壤矿化后NH<,4><'+>-N和NO<,3><'->-N分别占无机N增量的49.8％和50.2％；天然草原十壤净矿化出的无机N中，NH<,4><'+>-N和NO<,3><'->-N的量分别占68.6~6和31.4％。每g尿素施入西藏高原原始森林、天然草原和农田土壤中，30d后转化为NH<,4><'+>-N的量分别为104.6，132.4利22.3mg，转化成NO<,3><'->-N的量分别为25.2，60.1和105.4mg 。尿素态N在三个生态系统中30 d对土壤无机N库的贡献率分别为的28.2％，41.8％和34.2％。每g尿素施入西藏高原原始森林、大然草原利农田土壤中，可引起土壤CO<,2>排放量日增加69.9、38.6和33.6 mg kg<'-1>。西藏高原原始森林土壤中氨氧化细菌的种类和数量最少，天然草原土壤中的氨氧化细菌种属最多，由天然草原转换而成的农田生态系统土壤中的氨氧化细菌介于原始森林和草原之间，而且草原和农田土壤的氨氧化细菌的亲缘关系最近。 2．河北坝上高原白然生态系统(森林或草原)转换为农田后，或者将天然次生林转换为人工林后，土壤总C、N库利有效K下降，而土壤速效P和无机N呈上升趋势。天然次生林和人工林的无机库中，NH<,4><'+>-N为主要成分，草原和农田生态系统的无机N库中NO<,3><'->-N的含量较高。河北坝上高原4个生态系统的士壤净N矿化和净硝化顺序为：天然次生林>草原>人工林>农田；NO<,3><'->-N是4个生态系统净N矿化的主要形态，且净硝化与净N矿化存在极显著正相关关系(r=0.843)。尿素施入4个不同生态系统土壤中，经过30d后的水解转化，去向不完全一致：在天然次生林土壤中，主要是对NH<,4><'+>库贡献，NH<,4><'+>-N占无机N增量的98.6％，占尿素N的14.1％；尿素在农田土壤中，主要是对NO<,3><'->-库贡献，NO<,3><'->-N占无机N增量的95.0％，占尿素N的17.9％；尿素在人工林和草原土壤中，对NO<,3><'->-N厍的贡献相对更大些，NO<,3><'->-N分别占无机N增量的77.3％和70.7％，分别占尿素N的33.1％和14.7％，而NH<,4><'+>-N仅占尿素N的9.7％和6.1％。 3、各区域农田生态系统的净硝化几乎等于各自的净矿化，西藏高原农田土壤的净N矿化和净硝化最高，而河北坝上高原最低，二者相差近10倍。华北低平原区的南皮和惠民县农田的士壤净N矿化分别是17.7和16.5 mg kg<'-1>，略高于平原区京郊蔬菜大棚(14.4 mg kg<'-1>)和栾城高产农田(13.2 mg kg<'-1>)。尿素在各区域农田土壤中经过30d的水解转化后均以产生NO<,3><'->-N为主，No<,3><'->-N占尿素水解后无机N的98％-99％；平原区农田生态系统中尿素对土壤无机N库的贡献率为63.4％—83.2％，西藏高原和河北坝上高原农田土壤中尿素对土壤无机N库的贡献率分别是30.1％和19.O％；平原区高投入的栾城高产农田和京郊蔬菜大棚的尿素对土壤无机N库的贡献率显著高于低平原区中低投入的南皮农田和惠民农田。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3问题的提出

1.4研究思路

1.5研究内容和方法

第二章西藏高原不同生态系统土壤C、N库及其净矿化

2.1材料与方法

2.2结果与分析

2.3讨论

2.4小结

第三章西藏高原不同生态系统土壤中尿素转化及其对土壤C、N净矿化的影响

3.1材料与方法

3.2结果分析

3.3讨论

3.4小结

第四章西藏高原不同生态系统土壤氨氧化细菌区系的差异

4.1材料与方法

4.2结果与分析

4.3讨论

4.4小结

第五章河北坝上高原不同生态系统土壤C、N净矿化及尿素转化

5.1材料与方法

5.2结果与分析

5.3讨论

5.4小结

第六章不同区域农田生态系统土壤C、N净矿化及尿素转化

6.1材料与方法

6.2结果与分析

6.3讨论

6.4小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

作者简历