不同管理下稻田土壤有机碳及土壤胞外酶活性变化研究

摘要

土壤有机碳既是减缓全球气候变化的关键碳库，也是土壤生态系统功能的关键驱动和调节者。尽管对于不同条件及管理下农业土壤有机碳储存变化有很多研究，但其与土壤的生物活性及生态系统功能的关系还未有充分认识和深入解析。稻田土壤是水耕熟化下形成和发育的特殊人为土，具有较高的有机碳储库与氮素生产力，并且表现出较高的气候变化稳定性。因此，阐明不同农业管理下土壤有机碳储量的变化及其土壤的生物活性与功能是揭示稻田土壤碳积累可持续性与生产力保持的科学基础。本文研究不同管理条件（灌溉和施肥）下稻田耕层土壤有机碳含量的变化，土壤有机碳的团聚体分布变化，以及土壤胞外酶活性的分布变化，探讨土壤有机碳的生态系统功能变化，为稻田碳积累可持续性及土壤肥力提升提供科学依据。
　　基于安徽池州贵池区2005-2006年土壤肥力调查数据，整合分析了县级尺度不同灌溉管理下稻田耕层厚度及土壤有机碳含量的变化。结果表明，县域尺度耕层厚度和耕层土壤有机碳含量均服从偏正态分布，95％置信限耕层厚度和有机碳含量分别为14.58±3.92 cm和16.45±6.02 g/kg。其中，不同灌溉方法下稻田耕层厚度和耕层土壤有机碳变化显著，二者的变化趋势相反。设施配套情况和不同灌溉水源下稻田耕层厚度变化显著，耕层土壤有机碳变化不显著。设施灌排能力不同导致耕层土壤有机碳变化显著，稻田耕层厚度无显著变化。不同田间灌溉条件对稻田耕层厚度和耕层土壤有机碳的变化均不显著。不同灌溉管理下土壤有机碳的变化幅度大于耕层的变化幅度。
　　进一步对太湖地区长期不同施肥管理模式下稻油轮作稻田土壤有机碳变化进行了分析。该长期试验包括不施肥(NF)处理，单施化肥（氮磷钾配合）处理(CF)，磷钾肥配施猪粪处理(MPK)和化肥配施秸秆还田处理(CFS)。结果表明，与对照相比，不同施肥处理下土壤团聚体有机碳（氮）增加效果与全土基本一致。其中，土壤有机碳积累主要发生在大团聚体（250-2000μm）和微团聚体中（53-250μm），宏团聚体(＞2000μm)中增幅较低，粉粒组(2-53μm)和粘粒组(＜2μm)中无显著增加。不同施肥处理下全土和团聚体中连续浸提有机碳（氮）组分的变化类似。其中，Na2B4O7溶液浸提的弱矿物结合态有机碳组分增幅最大（平均51.3％）;Na4P2O7溶液浸提的铁铝络合态有机碳组分次之（平均22.7％）;NaOH溶液浸提的腐殖化有机碳组分最低（平均15.9％）。以上结果说明，团聚体结构在土壤有机碳积累方面作用显著，施肥处理能够促进土壤中稳定性较差的有机碳组分积累，而对稳定性较高的有机碳组分作用不显著。
　　根据长期施肥处理下土壤有机碳的增加情况，进一步探索田间尺度下土壤微生物活性与土壤有机碳积累的关系。结果表明，长期施肥处理下土壤微生物量与土壤胞外酶活性与对照相比变化各异。长期MPK处理和CFS处理下油菜收获期土壤微生物量显著下降，长期CFS处理下β-葡糖苷酶和纤维二糖水解酶活性显著增加。然而，这些变化在水稻收获期不显著。长期MPK处理和CFS处理下油菜收获期和水稻收获期土壤中磷酸单酯酶活性均显著下降。此外，长期CFS处理下水稻收获期土壤中酚氧化酶活性显著降低，施肥处理下过氧化物酶活性显著增加。油菜收获期土壤微生物量碳（氮）与土壤胞外酶活性显著高于水稻收获期。相关分析表明，土壤微生物量碳和土壤胞外酶活性线性关系显著。联系到水稻收获期的土壤含水率显著高于油菜收获期，说明除施肥活动外，土壤水分状况与氧化还原过程对土壤微生物活动和土壤胞外酶活性的影响也非常显著。
　　对土壤有机碳和胞外酶活性在土壤团聚体中的分布特点进行分析，探讨土壤团聚体结构对土壤胞外酶活性和有机碳组分的影响。其中，土壤有机碳在大团聚体中含量最高，其次是宏团聚体、微团聚体和粘粒组，在粉粒组中含量最低。土壤碳循环相关酶类和磷酸单酯酶在粒径超过53μm的土壤团聚体中活性都比较高，而在粒径低于53μm的粉粒组和粘粒组中活性较低。比较而言，土壤酚氧化酶在黏粒组、粉粒组和大团聚体中活性较高，而在微团聚体和宏团聚体较低;土壤过氧化物酶在粒径超过2μm的土壤团聚体中较高，而在粘粒组中活性最低。这些结果说明，多数土壤胞外酶对土壤粉粒和粘粒较为敏感，而在粒径超过53μm土壤团聚体中较为稳定。土壤酚氧化酶和过氧化物酶的活性分布特点说明它们与稳定性高的土壤有机碳组分周转有关。根据土体中土壤胞外酶的活性分布与其目标底物的丰度分布高度相关的推论，并利用底物浓度梯度和胞外酶浓度梯度对土壤胞外酶促动力学曲线的影响。本研究提出“土壤胞外酶在土体中的活性强度分布与计量”概念框架。用以辅助理解实验测定土壤胞外酶活性的理论依据与现实意义。
　　综上所述，灌溉管理对耕层土壤有机碳动态的影响作用显著。其中，沟灌这类节水灌溉技术的使用具有平衡稻田耕层厚度和耕层有机碳积累的作用。长期施肥处理下稻田耕层土壤有机碳积累效果显著。其中，土壤微生物活动和土壤胞外酶活性与土壤有机碳积累关系密切;田间水分管理下土壤微生物活动和土壤胞外酶活性的变化幅度高于施肥处理对它们的影响。此外，施肥处理主要增加土壤中稳定性较低的有机碳组分，而对稳定性较高的有机碳组分影响较小。通过对土壤团聚体中有机碳和土壤胞外酶活性的分析，发现土壤团聚体结构具有平衡土壤有机碳的稳定性和土壤生物活性的作用。因此，灌溉管理配合施肥的新技术发展将有助于平衡耕层土壤有机碳积累和物理耕层构建，提升稻田土壤总有机碳库与土壤肥力以及生态系统服务功能。

目录

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摘要

缩略语一览表

第一章 文献综述

1．1 课题背景与选题依据

1．2 土壤有机质的动态变化与其生态功能

1．2．1 土壤有机质的研究背景与基本概念

1．2．2 土壤有机质的来源及其组分特征

1．2．3 土壤有机质的存在状态与其生态功能

1．3 土壤团聚体动态演替过程与其生态功能

1．3．1 土壤团聚体的研究历史

1．3．2 土壤团聚体粒径分布特征及其动态变化过程

1．3．3 土壤团聚体的生态功能与其研究进展

1．4 土壤酶学的理论意义与其研究进展

1．4．1 土壤酶学的研究历史

1．4．2 土壤胞外酶的微位点分布及其生物学特性

1．4．3 土壤胞外酶活性测定方法的研究进展

1．5 土壤胞外酶活性分布与有机质动态变化的关系

1．6 研究内容与技术路线

1．6．1 研究内容

1．6．2 技术路线

第二章 稻田土壤有机碳变化：灌溉管理的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 研究区域概况

2．2．2 灌溉设施

2．2．3 样品采集与土壤有机碳测定

2．2．4 数据处理与统计分析

2．3 结果分析

2．3．1 灌溉管理对耕层厚度的影响

2．3．2 灌溉管理对耕层土壤有机碳的影响

2．4 讨论

2．5 本章小结

第三章 稻田土壤有机碳与生物活性变化：施肥管理的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 研究区域概况

3．2．2 土壤样品采集

3．2．3 分析指标与测定方法

3．2．4 数据处理与统计分析

3．3 结果分析

3．3．1 不同施肥下土壤有机碳、氮变化

3．3．2 不同施肥下土壤微生物碳(氮)与胞外酶活性的变化

3．3．3 不同施肥下土壤连续浸提有机碳组分组成变化

3．4 讨论

3．4．1 不同施肥处理对土壤有机碳的影响

3．4．2 不同施肥处理对土壤胞外酶活性的影响

3．5 本章小结

第四章 稻田土壤有机碳-胞外酶活性变化：团聚体分布

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 土壤样品采集

4．2．2 土壤团聚体分离

4．2．3 土壤胞外酶测定

4．2．4 土壤胞外酶活性测定

4．2．5 数据处理与统计分析

4．3 结果分析

4．3．1 土壤团聚体质量构成

4．3．2 不同施肥下土壤总有机碳(总氮)在团聚体中的分布

4．3．3 土壤胞外酶活性在团聚体中的分布

4．3．4 土壤胞外酶活性在土壤团聚体的分布特征

4．3．5 不同施肥下土壤团聚体中连续浸提有机碳(氮)变化

4．4 讨论

4．4．1 土壤团聚体中有机碳分布与土壤固碳

4．4．2 土壤胞外酶在团聚体中的活性分布

4．5 本章小结

第五章 稻田土壤有机碳-生物活性关系的综合讨论

5．1 引言

5．2 数据处理与统计分析

5．3 土壤有机碳-生物活性的关系

5．3．1 土壤有机碳-微生物-胞外酶活性的关系

5．3．2 不同施肥下稻田土壤团聚体中有机碳酶的变化

5．3．3 土壤团聚中有机碳酶强度的分布特点

5．4 土壤胞外酶在土体中的活性强度分布与计量的概念框架

5．5 土壤胞外酶活性分布与有机碳组分的关系

5．5 本章小结

第六章 全文结论、创新点及研究展望

6．1 研究主要结论

6．1．1 灌溉管理对土壤稻田有机碳动态的影响

6．1．2 施肥活动对土壤有机碳动态的影响

6．1．3 田间水肥管理对土壤微生物活动和土壤胞外酶活性的影响

6．1．4 土壤团聚体对有机碳动态的保护机制

6．2 研究创新点与不足

6．2．1 论文创新点

6．2．2 不足

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间撰写与发表论文情况

致谢