有机质与赤铁矿对酸性土壤中N转化过程的影响研究

摘要

土壤中N的转化过程包括N的矿化、固定、硝化过程。各个过程相互联系，共同构成一个紧密的整体。N的矿化与固定过程可以通过影响硝化过程底物以及产物的浓度影响硝化作用的强度。微生物通过利用土壤中的N源进行硝化作用，是硝化作用的主要参与者，进行硝化作用的微生物的活性是体现硝化作用强度的重要指标。土壤中的硝化作用过程主要受土壤的pH值、土壤类型、植物根系、水分与氧的浓度、土地利用方式和温度等条件的影响。其主要机理是通过改变土壤的环境条件，一方面影响土壤硝化微生物的活性，另一方面影响硝化微生物进行硝化作用的底物浓度。pH与NH3的有效性是影响土壤中硝化作用的主要因素，但是它们却不能合理解释酸性土壤中存在的空间变异问题。土壤比表面由有机胶体、无机胶体以及氧化物组成，它们所具有的胶体表面性能，对微生物在土壤中的分布以及元素离子的转化迁移有重要的影响。15N同位素示踪法是研究N转化过程的一种重要方法，该方法经过几十年的发展与许多科学家的不断修正，已经衍生出可以计算多种N的转化速率的模型。实验中利用不同丰度的15N标记液标记土壤样品，通过测定不同培养时间点土壤中15N丰度，利用相应的模型可以计算出实验土壤中N的各种转化速率。
　　本文以研究土壤表面性能对酸性土壤中硝化作用影响为出发点，选取具有代表性的典型酸性黄壤以及微酸性紫色土作为研究样本，通过添加5％赤铁矿与5％腐殖质的方式，改变土壤中有机质与矿物的含量。实验设计对照、添加5％赤铁矿与5％腐殖质三种处理，采用15N双标的方法。在培养初期加入15NH4NO3与NH415NO3标记液，调节田间持水量60％，25℃条件下恒温培养一周。采样时间点设计为0.5小时，1天，3天，5天，7天。采样后测定土壤中硝态氮与铵态氮浓度以及15N的丰度。通过15N同位素示踪的手段，利用15N转化模型模拟出土壤中N的转化速率;研究各处理土壤中N的矿化、固定以及硝化过程的变化特征，通过讨论三种转化过程的规律，试图解释酸性土壤中硝化作用变异的机理。结果如下:
　　(1)不同土壤类型间N的转化速率存在较大差异。紫色土(pH=5.8)比黄壤(pH=4.2) pH高出1.6。较高的pH环境更加适宜自养硝化作用的进行，紫色土自养硝化速率比黄壤高7倍。黄壤与紫色土C/N分别为8.16与15.21，N的矿化率随C/N的增加而显著的降低，易利用与难利用有机氮矿化速率，黄壤分别比紫色土高出2.3与1.3倍。
　　(2)不同转化速率间也存在紧密的联系，酸性土壤中微生物可能通过固定NH4+的方式提高自身可利用的硝化作用底物含量，促进硝化作用的进行。土壤中自养硝化速率与NH4+固定为有机N的效率呈极显著的正相关关系(R2=0.921，P＜0.01)。异养硝化微生物主要利用有机N作为硝化作用的底物，随着易利用有机N的不断矿化，异养硝化速率不断降低(R2=0.883，P＜0.01)。
　　(3)腐殖质对N转化过程的影响，一是体现在增加异养硝化作用的底物浓度，从而提高异养硝化作用速率;二是增加土壤有机质含量并提高C/N，进而影响土壤中有机N的矿化。
　　(4)赤铁矿的添加改变了土壤的铁矿物的含量以及一些重要的理化性质，并进一步影响土壤的中N的转化速率。氧化铁胶体在较低pH条件下带正电荷，体现出对NH4+吸附的减弱，对NO3-吸附的增强，将黄壤及紫色土中微生物对NH4+固定减弱了2.5与9.5倍，将黄壤中微生物对NO3-固定由0.003 mgN kg-1 soil day-1增强到0.213 mg N kg-1 soil day-1，将紫色土中微生物对NO3-的固定由0.001 mg Nkg-1 soil day-1提升至0.231 mg N kg-1 soil day-1;赤铁矿可能通过金属离子对硝化微生物的毒害作用降低土壤自养硝化速率。酸性黄壤中净硝化作用低的可能机制在于有高浓度氧化铁。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 文献综述

1．1 硝化作用与硝化过程

1．1．1 硝化作用机理

1．1．2 微生物在硝化中的作用

1．2 硝化作用的抑制

1．2．1 硝化抑制剂

1．2．2 常用硝化抑制剂

1．3 异养微生物对酸性土壤硝化作用的贡献

1．4 酸性土壤中硝化作用可能的机理

1．5 影响酸性土壤中硝化作用的因素

1．5．1 pH

1．5．2 N的有效性

1．5．3 有机质对硝化作用的影响

1．5．4 氧化铁对硝化作用的影响

第2章 绪论

2．1 研究背景

2．2 研究目的

2．3 研究内容

2．4 技术路线

第3章 材料与方法

3．1 研究区域概况

3．2 土壤样品处理

3．2．1 赤铁矿的制备

3．2．2 土壤样品采集

3．2．3 土壤样品制备

3．3 15N双标测定土壤N转化

3．3．1 15N同位素稀释法测定土壤氮转化方法

3．3．2 15N培养实验

3．3．3 测定方法

3．4 土壤氮总转化速率的计算

3．5 数据分析

第4章 结果与分析

4．1 典型土壤样品分析

4．1．1 总体数据的相关性分析

4．1．2 不同pH范围指标相关性

4．2 15N实验土壤基本理化性质

4．3 培养期间pH变化情况

4．4 培养期间无机氮变化情况

4．4．1 硝态氮变化情况

4．4．2 铵态氮变化情况

4．5 15N丰度变化情况

4．5．1 铵标记土壤样品15N丰度变化

4．5．2 硝标记土壤样品15N丰度变化

4．6 土壤中N的转化速率

4．6．1 N的矿化速率

4．6．2 N的固定速率

4．6．3 N的硝化速率

第5章 讨论与结论

5．1 不同N转化速率之间的关系

5．1．1 NH4+固定速率与自养硝化速率

5．1．2 异养硝化速率与易利用有机N矿化速率

5．2 添加腐殖质对土壤中N转化过程的影响

5．3 添加赤铁矿对土壤中N转化过程的影响

5．3．1 影响土壤固定NH4+与NO3-

5．3．2 影响土壤自养硝化速率

5．3．3 影响异养硝化速率

5．3．4 小结

5．4 主要结论

研究存在的不足及展望

参考文献

致谢

发表论文及参与课题