本文選題：土壤有機(jī)碳　切入點(diǎn)：短程有序礦物　出處：《南京農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：目前,我國18.26億畝耕地中72.7%的耕地為中低產(chǎn)田。中低產(chǎn)田特點(diǎn)之一是地力水平普遍較低。提高土壤地力的有效措施是增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和提升土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性。然而,土壤有機(jī)質(zhì)的積累和周轉(zhuǎn)機(jī)制還不清楚,成為阻礙土壤有機(jī)質(zhì)和土壤肥力提升的重要因素。研究已表明,有機(jī)物本身的分子結(jié)構(gòu)并不能決定土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性;土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性是由環(huán)境和生物控制為主的生態(tài)特征。其中,礦物-有機(jī)復(fù)合體的形成是土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定和累積的主要機(jī)制之一。在全球尺度上,活性鐵礦物(主要為短程有序礦物)可以保護(hù)約20%左右的有機(jī)碳。然而,土壤中短程有序礦物的調(diào)控途徑及其機(jī)制還不清楚。本論文以長期定位施肥試驗(yàn)的土壤樣品為研究對(duì)象,結(jié)合同步輻射技術(shù)、納米離子探針技術(shù)、高分辨透射電子顯微鏡技術(shù)和廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)的創(chuàng)新表征平臺(tái),研究了長期施肥措施對(duì)土壤中不同形態(tài)鐵氧化物的含量的調(diào)控效果;進(jìn)一步,基于微宇宙盆栽培養(yǎng)試驗(yàn),結(jié)合同位素示蹤和高通量測(cè)序技術(shù),研究了盆栽實(shí)驗(yàn)中叢枝菌根真菌(AMF)、根系和同位素標(biāo)記秸稈對(duì)促進(jìn)土壤中短程有序鐵礦物形成的作用機(jī)制;最后,利用室內(nèi)菌礦純培養(yǎng)試驗(yàn),結(jié)合高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)技術(shù)和二維相關(guān)光譜(2D COS)分析技術(shù),研究了室內(nèi)菌礦培養(yǎng)試驗(yàn)中短程有序礦物的生物化學(xué)合成途徑及其形成機(jī)制。本文的主要研究結(jié)果如下:1)國家肥力網(wǎng)湖南祁陽長期定位試驗(yàn)站中的旱地紅壤結(jié)果表明,與不施肥對(duì)比(CK),長期施用化肥(NPK)不僅會(huì)導(dǎo)致紅壤酸化,而且使土壤膠體中的可溶性有機(jī)碳(DOC)減少,降低了土壤肥力;而長期施用有機(jī)肥(M)或有機(jī)無機(jī)配施(NPKM)可以顯著改善紅壤的酸度,提高土壤供氮和儲(chǔ)碳的能力。長期施肥的土壤pH值順序?yàn)?NPK(4.60) CK(5.33) NPKM(5.73) M(5.94)。各處理土壤DOC和可溶性礦質(zhì)元素的含量線性相關(guān),且添加有機(jī)肥料的NPKM和M處理會(huì)比單一化肥培肥處理NPK的含量要高。這可能是由于有機(jī)肥料的添加改善了土壤膠體組分,讓土壤營養(yǎng)元素更加豐富。2)長期施用化肥不能增加紅壤中活性礦物的量和活性,而長期施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可以活化土壤中的鐵鋁硅礦質(zhì)元素從而提高土壤中活性礦物的含量,使其含有更高比表面、更高吸附能力的水鐵礦。同時(shí),長期施用有機(jī)肥可以使有機(jī)質(zhì)中穩(wěn)定的芳香單元及取代烷烴C-C (H)轉(zhuǎn)化為活性較高的酚(C-O)、醚(C=O)、羰基/羧基碳(COO-),加強(qiáng)有機(jī)碳與礦物的結(jié)合能力,進(jìn)而提升土壤的固碳能力。3)長期定位施肥試驗(yàn)的XRD、NMR以及HRTEM的結(jié)果表明,M、MNPK處理的土壤膠體中非晶形礦物含量較多,表明施用有機(jī)肥可以促進(jìn)晶形礦物向非晶形礦物轉(zhuǎn)化。非晶形礦物中主要元素為Si、Al,其中Si的化學(xué)位移主要位于-91ppm,結(jié)構(gòu)為Q4(6Al),Al的化學(xué)位移主要位于1ppm(ⅣAl);晶形礦物中的主要元素為Fe,也含有少量的Si、Al,其中Si的化學(xué)位移在-100～-110ppm處的峰較大,為長石類硅。4)微宇宙盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明,叢枝菌根通過促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的分解,增加了土壤CO2排放量,同時(shí)減少了土壤C庫;接種AMF能夠降低土壤N2O的釋放。根系活動(dòng)增加CO2和N2O排放通量,易分解有機(jī)質(zhì)的添加作為微生物活動(dòng)的基質(zhì)會(huì)同時(shí)增強(qiáng)厭氧反硝化作用和好氧稍化過程而促進(jìn)N2O的排放。5)基于微宇宙盆栽試驗(yàn),在AM真菌、根系、秸稈不同作用方式下,土壤膠體DOC的積累表現(xiàn)出了顯著性的差異,根系活動(dòng)和有機(jī)物料的添加可以顯著提高土壤有機(jī)碳,但是單一的AM真菌作用對(duì)提高土壤膠體DOC效果不明顯。土壤膠體中的可溶性礦質(zhì)元素與DOC相關(guān)性不高,但是不同形態(tài)的礦質(zhì)元素,如活性鐵、短程有序鐵和有機(jī)絡(luò)合態(tài)鐵和DOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系。說明礦質(zhì)元素與有機(jī)碳組分間的結(jié)合關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。FeK-邊XANES譜線性擬合(LCF)的結(jié)果表明,AM真菌、根系和秸稈共同作用可以增加非晶形鐵(水鐵礦)的含量。同步輻射顯微紅外譜圖和NanoSIMS譜圖顯示出AM真菌表面碳氮和鐵鋁的分布情況,直觀的表征了微生物與特定礦物質(zhì)的相互作用。6) MiSeq高通量測(cè)序結(jié)果表明,AM真菌和秸稈降解對(duì)細(xì)菌豐度和多樣性增加的現(xiàn)象說明AM真菌分泌物和秸稈的添加為微生物生長和繁殖提供了大量的碳源和能源,刺激了微生物的生長。土壤中細(xì)菌豐度最高的5個(gè)門為變形菌門(Proteobacteria) 、 放線菌門(Actinobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes),占細(xì)菌總序列的78%左右。球囊菌門(Glomeromycota )、擔(dān)子菌門(Basidiomycota )及壺菌門(Chytridiomycota )是各處理AM真菌豐度最高的3個(gè)門,最高的處理占了總AM真菌序列的75%左右。秸稈的降解增加變形菌門和球囊菌門的相對(duì)豐度,即在處理(+AMF+Root+Straw)中,AM真菌、根系和秸稈共同作用促進(jìn)了叢枝菌根(球囊菌門)的生長代謝。該結(jié)果輔助解釋微生物在土壤短程有序礦物形成中的作用。7 ) HRTEM結(jié)果表明,培養(yǎng)24h、48h后的培養(yǎng)液和煙曲霉(Asperillus fumigatus Z5)菌絲體中均出現(xiàn)大量納米礦物(2-5 nm );利用C-1 s NEXAFS譜發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)酸、導(dǎo)致溶液pH值顯著降低;真菌絲狀生長的習(xí)性和產(chǎn)生有機(jī)酸、質(zhì)子和其他代謝產(chǎn)物的能力,使其對(duì)礦物和巖石有明顯的生物礦化效果。真菌生長過程中所產(chǎn)生的低分子量酸性代謝產(chǎn)物對(duì)礦物晶格有破壞作用,納米礦物的含量有明顯的增加。利用27Al NMR, 29Si NMR和XAFS技術(shù),檢測(cè)到不同礦質(zhì)元素間的同步和異步變化信息,發(fā)現(xiàn)了礦質(zhì)元素Al/Si/Fe的局部配位環(huán)境發(fā)生改變的次序,建立了納米礦物形成的生物化學(xué)合成途徑,為土壤納米礦物形成機(jī)制提供了理論依據(jù),進(jìn)而也為土壤有機(jī)質(zhì)提升奠定了理論基礎(chǔ)。綜上所述,通過長期定位試驗(yàn)、微宇宙盆栽試驗(yàn)和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)土壤中的礦質(zhì)元素與土壤有機(jī)碳循環(huán)之間存在一定的相互調(diào)控的作用。長期有機(jī)施肥可以增加短程有序礦物,而長期施用化肥則降低短程有序礦物。微宇宙培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,AM真菌和根系活動(dòng)以及新鮮碳源(秸稈)的降解促進(jìn)了土壤短程有序礦物的形成。實(shí)驗(yàn)室菌礦純培養(yǎng)試驗(yàn)支持了上述結(jié)果,即真菌活動(dòng)和其產(chǎn)生的胞外分泌物是短程有序礦物形成的主要因素。土壤中短程有序礦物促進(jìn)固碳的同時(shí)土壤中新加入的有機(jī)質(zhì)也可能促進(jìn)土壤中的非活性礦物質(zhì)的活化,二者相輔相成來提高土壤的固碳能力,從而提升土壤肥力。
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【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S153;S154

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本文編號(hào)：1672853