Characterzing Enzymatic,Microbial and Chemical Properties of Red and Brown Soils under Two Contrasting Plant Residues and Water Regimes

摘要

土壤酶是影响土壤中有机物分布的生物因素，对土壤生态系统中有机物的保留起到最终决定作用。课题实施一项为期六个月的温室培养实验，来调查土壤中氧化酶和水解酶的活性以及它们在两种不同条件下（干燥和水浸）分解土壤中有机物（棕色碱性和红色酸性中国土壤中的稻草和绿肥）的作用。实验采用随机化完全区组设计，十个处理，三个重复。稻草和绿肥在土壤中的含量均采用每克土壤中含0mg，5mg或者25mg，分别表示为对照(CK)，RS1，RS2，GM1和GM2。土壤保持在两个水位，25％(W1)和200％(W2)。结果表明，棕壤中酚氧化酶和过氧化氢酶的活性分别是红壤中这两种酶的2倍和1.5倍。这也就导致棕壤中有机物的分解速率比红壤中的高，其中碳和氮矿化作用分别高1.23倍和1.2倍，溶解有机碳和溶解有机氮分别高1.23倍和1.21倍，最终导致棕色中的低有机物含量。相反，红壤的低氧化酶活性减少碳和氮矿化作用和有机质的溶解，结果使红壤中剩余有机物的含量比棕色中高1.38倍。同样，由于红壤中酚氧化酶和过氧化氢酶的活力低，还原糖和氨基酸的值比棕壤中低2.58倍和2.22倍，而酚类化合物的含量则比棕壤中高1.36倍。这表明，红壤中氧化酶的低活性不利于于酚类化合物的降解，这也最终导致分解率的降低和还原糖和氨基酸的减少。添加绿肥对土壤的酶和生化活性有显著的促进作用(P＜0.05)，而添加稻草的作用次之。水位的影响在孵育初期同样显著(P＜0.05)，高水含量的添加降低分解率，降低酶和生化活性。碱性土壤的PH能够通过控制底物的可利用性来优化氧化酶的活性。
　　在水浸条件下的水解酶（如尿素酶和中性磷酸酶）无法在土壤有机质的分解过程中发挥相关作用，并且与棕壤和红壤中的有机质呈不显著相关(p＜0.05)。相反，氧化酶（如酚氧化酶和过氧化氢酶）在土壤有机质的分解过程中起到关键作用，并且与棕壤和红壤中的有机质呈显著相关(p＜0.05)。实验表明，有机添加物的低分解率，特别是木质素、纤维素和半纤维素以及水浸条件下的富含有机质的添加物，能够增加如酚类化合物一样更难降解的有机聚合物的形成。这最终抑制水解酶的活性，使得它们不能在有机物的分解过程中发挥应有的作用。我们同样证实尿素酶和中性磷酸酶不能触发分解酚类化合物一样更难分解的有机聚合物，所以在红壤和棕壤中都存在尿素酶与中性磷酸酶和酚类化合物之间不显著的相关性。尽管如此，这些酶依然在容易分解的有机化合物的生物降解过程中起重要的作用，同时与红壤和棕壤中的氨基酸和还原糖有非常显著(p＜0.01)的相关。另外，氧化酶（酚氧化酶和过氧化氢酶）和红壤和棕壤中的酚化合物、氨基酸以及还原糖之间有显著的相关性。这表明，即使在高湿度的条件下，氧化酶依旧是土壤中有机物分解通路中的关键因素。结果表明，土壤酶的高活性保证了有机物的有效分解;另外氧化酶（酚氧化酶和过氧化氢酶）负责降解酚类化合物一样更难分解的有机聚合物;土壤中有机物的富集最终可能在标准的湿度条件下也会形成“酶锁”。
　　为了研究有机添加物（稻草和绿肥）和水位（25％和200％）对红壤中微生物总量和微生物群落变化的影响，我们进行了一项孵育实验。实验采用随机化完全区组设计，十个处理，三个重复。土壤中微生物总量和微生物群落的确定采用标准常规方法。实验结果由常规方法获得，并采用微量量热法证实。结果显示，与对照组相比，稻草和绿肥的添加，特别是高添加量（每克土壤添加25mg）时能够显著增加土壤微生物总碳、微生物总氮和微生物总磷;同时也能够增加土壤中微生物群落，如真菌、细菌和放线菌等。通过对绿肥和稻草这两种植物残留物效率的比较得出，绿肥的促进作用更加显著。水位（W1和W2）同样有很显著的影响(P＜0.05)，微生物总量和群落随着水位的上升而减少。为了使用微量量热法证实常规方法所得的结果，我们测量了热力学参数并且记录了添加了葡萄糖和硫酸铵的土壤样品的功率-时间曲线。我们测算了微生物生长率常量k，总演化热量Q，峰值高度Pmax和峰值时间tmax。最大峰值高度Pmax，k和Q取自水位W1(25％)时的有机物添加组，而tmax取自对照组和水位W2(200％)时的有机物添加组。土壤微生物更高的生长率、更多的峰值高度、更短的峰值时间和每个细胞单元更长的散热表明有机物的添加促使土壤微生物的代谢更加有效率;反之，对照组中微生物的低活力则是由于养分和底物的匮乏。.微量量热法的参数Pmax,k和Q（p＜0.01时正相关）和tmax（p＜0.01时负相关）与常规技术测量得到的参数值显著相关。我们发现，所有的量热法参数（Pmax,tmax,Q和k）都对土壤的许多内在属性高度敏感，可作为土壤微生物群落变化和活动的指数。
　　为了探究有种截然不同的水位（25％和200％）和有机添加物（稻草和绿肥）对采集于中国河南的棕壤的酶学（过氧化氢酶，脲酶，碱性磷酸酶，中性磷酸酶，酚氧化酶和脱氢酶）、微生物学（微生物总碳，微生物总氮，微生物总磷，细菌，真菌和放线菌）和化学（土壤有机物，溶解有机碳，溶解有机氮，碳矿物化，单矿物化，酸碱值和导电性）方面的影响作用，我们进项了另一项引导实验。稻草和绿肥分别以5mg/g和25mg/g的比例和土壤混匀后装入花盆中。土壤中所含去离子水量保持在25％(W1)和200％(W2)。这项实验的目的是通过常规方法和使用微量量热法证实过的结果来评价土壤的酶学，微生物学和化学属性。与对照组相比，稻草和绿肥的添加，特别是高添加量时能够显著增强土壤的酶学，微生物学和化学属性(P＜0.05)。比较这两种不同的植物残留物，我们观察到绿肥比稻草能够更加有效的增强土壤的酶和生化属性(P＜0.05)。同理，不同含水量(25％(W1)和200％(W2)对土壤的酶和生化属性也有显著的影响(P＜0.05)。200％(W2)的水位对土壤所有的土壤的酶和生化属性都有显著的负面影响(P＜0.05)，比如氧化酶和水解酶的活力，微生物总量，微生物群落，碳氮的矿物化，可溶有机物量和导电性。为了比较传统方法的结果和检测微量量热法的敏感度，我们测算了热力学参数，微生物生长常数（k），总演化热量Q，峰值高度Pmax和峰值时间tmax。最大峰值高度Pmax(,)，k和Q取自水位W1(25％)时绿肥比例最高的实验组，而最大tmax取自含水量为W1的对照组。微量量热法参数，Pmax,和k正相关，而tmax和所有测量的酶学，微生物学和生物化学结果在p＜0.01时负相关。相反，总演化热量Q和这些结果没有显著的相关性(p＜0.05))，具体为尿酸酶(0.248)，中性磷酸酶(0.281)，脱氢酶(0.291)，微生物总碳(0.283)，微生物总磷(0.277)，溶解有机碳(0.269)，溶解有机氮(0.190)，土壤有机物(0.284)和酸碱度(0.047)。结果表明，微量量热法参数Pmax,和k对土壤许多内在属性都高度敏感，可作为衡量土壤生态系统中酶学，微生物学和生物化学特性的指标。然而，微量量热法参数Q和尿酸酶，中性磷酸酶，脱氢酶，微生物总碳，微生物总磷，溶解有机碳，溶解有机氮，土壤有机物和酸碱度之间的不显著相关性，表明了微量量热法参数Pmax,，k和tmax比Q能更好的定量反映土壤管理和改革对土壤的酶学，微生物学和化学属性的影响。

目录

声明

CONTENTS

ABSTRACT

摘要

Chapter 1 Review of literature

1．1．Enzymes activities in soils

1．1．1 Overview

1．1．2 Significance of enzymes activities in soils

1．2．Factors effecting enzymes activities in soils

1．2．1 Organic amendments

1．2．2 Inorganic amendments

1．2．3．Moisture contents

1．2．4 pH

1．3．Soil microbial biomass and community

1．3．1 Overview

1．3．2．Significance of soil microbial biomass and community

1．4．Factors effecting soil microbial biomass and community

1．4．1．Organic amendments

1．4．2．Inorganic amendments

1．4．3．Moisture content

1．4．4．PH

1．5．Microcalorimetry

1．5．1．Overview

1．5．2．Significance of microcalorimetry

1．5．3．Advantages of microcalorimetry over traditional techniques／methods

1．6．Application of microcalorimetry

1．6．1．Determination of microbial activity

1．6．2．Determination of microbial biomass

1．6．3．Determination of enzymes activity

1．7．Aims

1．7．1．Oxidative enzymes the ultimate regulator of soil organic matter

1．7．2．Microcalorimetric evaluation of soil microbiological properties in Red soil

1．7．3．Estimation of enzymatic，microbial and chemical properties in Brown soil by microcalorimetry

Chapter 2 Oxidative enzymes the ultimate regulator：implications for factors affecting their efficiency

2．1．Introduction

2．2．Materials and Methods

2．2．1．Soil sampling

2．2．2．Soil sampling sites

2．2．3．Experimental design

2．2．4．Analyses of soil and organic amendments

2．2．5．Soil enzyme activities

2．2．6．Soil C and N mineralization

2．2．7．Soil dissolved organic matter

2．2．8．Soil phenolic compounds，amino acids and reducing sugars

2．2．9．Statistical analysis

2．3．Results

2．3．1．Oxidative enzyme activities

2．3．2．Hydrolytic enzyme activities

2．3．3．Total organic matter and dissolved organic matter

2．3．4．C and N mineralization

2．3．5．Phenolic compounds，amino acids and reducing sugars

2．3．6．Soil pH

2．3．7．Correlation analysis

2．4．Discussion

2．4．1．Oxidative and hydrolytic enzymes and organic matter decomposition

2．4．2．Predominating factors affecting oxidative and hydrolytic enzymes activity

2．5．Conclusions

Chapter 3 Microcalorimetric evaluation of microbiological properties in Red soil

3．1．Introduction

3．2．Materials and Methods

3．2．1．Soil sampling and collection site

3．2．2．Experimental layout

3．2．3．Analyses of soil and organic amendments

3．2．4．Analysis of soil microbial biomass

3．2．5．Analysis of soil microbial population

3．2．6．Microcalorimetry

3．2．7．Statistical analyses

3．3．Results

3．3．1．Soil redox potential (Eh) under plant residues and dogmatic water gradients

3．3．2．Soil microbial biomass and its links with microcalorimetric parameters

3．3．3．MBC／MBN ratio plant residues and dogmatic water gradients

3．3．4．Soil microbial communities and their correlations with microcalorimetric parameters

3．3．5．Microcalorimetric parameters under organic manipulation and stringent water regimes

3．4．Discussion

3．4．1．Microcalorimetric parameters as indices of soil microbial properties

3．4．2．Microcalorimetric parameters as influenced by organic treatments and water gradients

3．4．3．Impact of organic amendments and water regimes on soil microbial properties

3．5．Conclusions

Chapter 4 Estimation of enzymatic and biochemical properties in Brown soil by microcalorimetry

4．1．Introduction

4．2．Materials and Methods

4．2．1．Soil sampling

4．2．2．Experimental design

4．2．3．Analyses of soil and organic amendments

4．2．4．Soil enzyme activities

4．2．5．Soil microbial biomass and population

4．2．6．Soil C and N mineralization

4．2．7．Soil dissolved organic matter

4．2．8．Microcalorimetry

4．2．9．Statistical analysis

4．3 Results

4．3．1．Soil enzymatic activities under organic manipulation and water regimes

4．3．2．Soil microbial biomass and ratio under organic manipulation and water regimes

4．3．3．Soil microbial population under organic manipulation and water regimes

4．3．4．Relationship of soil enzymatic and microbial activities with microcalorimetric parameters

4．3．5．Soil chemical properties under organic manipulation and water regimes

4．3．6．Soil chemical properties and their association to microcalorimetric parameters

4．3．7．Microcalorimetric parameters under organic manipulation and water regimes

4．4．Discussion

4．4．1．Microcalorimetric parameters as indices of soil enzymatic，microbial and chemical properties

4．4．2．Impact of organic amendments and water regimes on soil enzymatic，microbial and chemical properties

4．5．Conclusions

Chapter 5 Concluding Remarks and Perspectives

References

ACKNOWLEDGEMENT

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