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长期施肥处理下不同深层稻田土壤有机碳周转特征

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长期施肥处理下不同深层稻田土壤有机碳周转特征

作者：李奕霏中南林业科技大学

学位级别：硕士

陆地生态系统中的碳(C)循环是全球碳循环的重要组成部分。土壤作为最大的碳库,是温室气体的源和汇,在全球碳收支中占主导地位。土壤C循环受到土壤本身性质与外部环境的共同作用。施肥和水分条件是稻田土壤C循环的二个关键因素,稻田土壤... 详细信息

陆地生态系统中的碳(C)循环是全球碳循环的重要组成部分。土壤作为最大的碳库,是温室气体的源和汇,在全球碳收支中占主导地位。土壤C循环受到土壤本身性质与外部环境的共同作用。施肥和水分条件是稻田土壤C循环的二个关键因素,稻田土壤因长期处于淹水环境,形成了特殊的厌氧环境,导致其固C潜力与旱地土壤存在差异。施肥等管理措施对土壤有机C周转产生重要影响,而施肥对不同深度土壤的效果也大不一样。用葡萄糖作为土壤中的易利用态有机碳的典型代表,阐明外源C在不同施肥方式下,各土层土壤中的C周转以及分配规律。其结果对提高土壤肥力,增加稻田土壤C的固持,为未来稻田土壤的可持续管理提供理论依据。因此,本研究选取宁乡长期定位实验点土壤,采集四种土壤样本:秸秆有机肥土壤(M)、有机无机配施土壤(MNPK)、无机化肥土壤(NPK)和不施肥土壤(Control)。每种处理采集四种不同深度的土壤,按10cm等深间距采样至40cm。室内模拟试验设置未添加葡萄糖组和葡萄糖添加组。以13C标记葡萄糖模拟土壤中的易利用态有机C进行示踪试验。本研究为阐明不同施肥方式以及不同深层土壤C矿化、转化特征,以及微生物调控的稻田土壤C周转机制和激发效应产生过程提供了理论依据,主要结果如下:(1)长期施肥管理,促进了各处理C02的释放,提升了各处理C、N含量,增加了BG、NAG、XYL酶活性。长期有机无机配施的土壤CO2累积排放量,MBC、MBN、MBP、SOC含量均高于其它施肥处理土壤,施肥土壤高于不施肥土壤。施肥对耕作层(0～20 cm)以上指标的促进效果要高于犁底层土壤(20～40 cm)。(2)外源C的添加促进了C02的排放,随着土层深度的增加CO2释放量减少。外源C的输入刺激了各土层土壤不同程度的正激发效应,各土壤200 cm土层(低MBC)的正激发效应持续时间更长,在培养后期大多表现为微弱的正激发或者负激发。长期施肥土壤0～20 cm土层(高MBC)产生正激发持续时间较短但强度较大,随后迅速减弱,负激发逐渐增强。(3)随着土层深度的加深(MBC降低),外源C以慢库为主转变为以快库为主(0～30 cm)。0～10 cm(高MBC)土层主要以快速转化碳库为主。而30～40 cm的底层土壤,由于土壤中微生物活性较低,施肥与外源碳的添加并不能刺激微生物活性的增加,导致该土层土壤以慢库为主。(4)外源葡萄糖输入后,一部分C迅速溶解于土壤上层水溶液中。导致各处理土壤不同土层水溶液中的pH、可溶性有机碳(DOC)含量迅速升高,水溶液中的铵态氮NH4+-N含量降低。一部分C进入土壤中被微生物同化利用,导致各处理土壤不同土层MBC、MBN含量迅速提高,而各处理土壤MBP、NH4+-N含量降低。随着培养时间的推移,以上指标在土壤与土壤溶液中的含量均有所下降。外源C输入后对各施肥处理的影响大小为:MNPK>M>NPK>Control,耕作层土壤对外源C的响应要高于犁底层土壤。(5)、外源C输入后,将对土壤酶活性产生影响,使得培养初期其它养分元素受限。微生物的调控抑制了BG、XYL酶活性,促进了NAG酶活性。各土层土壤酶活性与未添加C土壤一致,但10-20 cm土层对外源C的响应最为强烈。

关键词：稻田土壤土壤碳周转有机碳矿化激发效应不同施肥方式不同土层

长白山垂直带森林叶片-凋落物-土壤连续体有机碳动态——基于稳定性碳同位素分析

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生态学报 2017年第16期37卷 5285-5293页

作者：司高月李晓玉程淑兰方华军于贵瑞耿静何舜于光夏中国科学院大学资源与环境学院北京100049 中国科学院地理科学与资源研究所/生态系统观测与模拟重点实验室北京100101

稳定性碳同位素自然丰度(δ^(13)C)记录着生态系统碳循环过程的关键信息,常被用于评价全球变化情景下陆地生态系统碳的动态。以长白山北坡垂直带4种典型森林生态系统为研究对象,测定乔木建群种叶片、凋落物以及不同深度土壤有机碳(SOC)... 详细信息

稳定性碳同位素自然丰度(δ^(13)C)记录着生态系统碳循环过程的关键信息,常被用于评价全球变化情景下陆地生态系统碳的动态。以长白山北坡垂直带4种典型森林生态系统为研究对象,测定乔木建群种叶片、凋落物以及不同深度土壤有机碳(SOC)含量和δ^(13)C值,探讨植物叶片-凋落物-土壤连续体碳含量、δ^(13)C丰度的分布格局及其生态学暗示。研究结果表明:植物叶片碳含量随海拔高度的增加呈现抛物线型变化,且阔叶树叶片碳含量显著低于针叶树,体现气候要素和植被功能型的支配作用,并且暗示针叶树种潜在的碳蓄积能力更强。此外,植物叶片δ^(13)C随海拔高度升高而降低,表明高海拔植物叶片水分利用效率较低,即固碳耗水成本更高。凋落物碳含量随海拔增加逐渐下降,而矿质表层土壤则表现为阔叶红松林、岳桦林显著高于暗针叶林,体现了植被类型和土壤质地的共同支配作用。总体上,岳桦林SOC周转最快,其次是暗针叶林,位于基带的阔叶红松林最慢。可见,小尺度上气候因子并不是温带森林地下碳循环的主导因素,植被功能型和土壤属性对SOC周转与稳定的影响更大。在探讨环境因子对陆地生态系统碳循环和碳平衡的影响时需要考虑研究尺度,不同的研究尺度影响SOC周转的驱动因子并不相同。研究方法方面,基于log SOC和δ^(13)C的SOM周转模型能够很好地概括不同生态系统类型下SOM周转的相对快慢,可用来评价SOC动态对全球变化的响应。

关键词： 13C自然丰度叶片-凋落物-土壤连续体水分利用效率土壤碳周转山地垂直带

北亚热带常绿阔叶林土壤-植物碳氮稳定同位素及其养分对氮磷添加的响应

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北亚热带常绿阔叶林土壤-植物碳氮稳定同位素及其养分对氮磷添加...

作者：温正宇安徽农业大学

学位级别：硕士

近年来随着工业和现代农业发展,全球大气氮沉降加剧,迅速增加的氮沉降已对森林生态系统产生了巨大影响,而氮和磷元素都是植物生长必须的养分。本研究在安徽省祁门县渣湾自然保护区亚热带北部常绿阔叶林内设立了长期的氮磷添加试验样地,... 详细信息

近年来随着工业和现代农业发展,全球大气氮沉降加剧,迅速增加的氮沉降已对森林生态系统产生了巨大影响,而氮和磷元素都是植物生长必须的养分。本研究在安徽省祁门县渣湾自然保护区亚热带北部常绿阔叶林内设立了长期的氮磷添加试验样地,以研究氮磷添加对森林生态系统的影响。在中坡和坡顶各设置了对照(CK)、高氮(HN;100 kg N·hm·a)、高氮+磷(HN+P;100 kg N·hm·a+50 kg P·hm·a)3种处理,各处理3次重复。采集了不同处理试验样地内14种植物叶片以及土壤样品,对其稳定碳氮同位素、养分含量以及土壤理化性质进行了分析,试图利用稳定碳氮同位素技术,探讨森林生态系统养分循环过程与机理,为亚热带常绿阔叶林保护和科学经营提供参考和理论依据。主要研究结果如下:(1)土壤稳定碳氮同位素(δC、δN)及土壤碳周转速率氮磷添加对亚热带落叶林土壤δC值和δN值有极显著影响(P土壤的δC值。氮磷添加在不同坡位上对土壤δN值影响不同,在中坡,HN+P和HN处理降低了土壤δN值;在坡顶,HN+P和HN处理提高了土壤δN值。在中坡,HN处理加快了土壤碳周转速率;在坡顶,HN和HN+P处理皆加快了土壤碳周转速率。(2)土壤理化性质、养分及化学计量比氮磷添加对土壤p H、EC、全磷(TP)、SOC/TN、SOC/TP、TN/TP有极显著影响(P土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)没有显著影响(P>0.05),在中坡和坡顶,氮磷添加皆降低土壤p H、TP含量,提高了土壤EC值,土壤SOC/TN、SOC/TP、TN/TP值在不同坡位上对氮磷添加的响应不一;不同坡位对土壤p H、EC、SOC、TN、SOC/TN、SOC/TP、TN/TP有显著影响(P土壤TP没有显著影响(P>0.05),坡顶土壤EC、TP、C/P、N/P值要大于中坡,坡顶p H和C/N值要小于中坡。土层对土壤p H、EC、SOC、TN、TP、SOC/TN、SOC/TP、TN/TP都有显著影响(P碳氮同位素(δC、δN)及植物水分利用效率(WUE)氮磷添加对植物叶片δC和δN值有显著影响(P0.05)。氮磷添加显著影响植物叶片水分利用效率(P0.05)。(4)叶片养分及其化学计量比氮磷添加显著影响亚热带常绿阔叶林植物叶片P含量(P0.05),HN+P和HN处理提高了植物叶片P含量。不同生活型植物叶片C、P含量差异显著(P0.05),叶片C含量皆表现为:乔木>灌木>草本,叶片P含量皆表现为:草本>灌木>乔木。氮磷添加对植物叶片C/P、N/P值有显著影响(P0.05),植物叶片C/N、C/P、N/P值皆表现为:CK>HN>HN+P。不同生活型的植物叶片C/N、C/P、N/P值差异显著(P灌木>草本。

关键词：氮磷添加碳氮稳定同位素土壤碳周转亚热带林植物生活型

不同计量比养分对模拟根系分泌物在稻田土壤中周转的影响

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不同计量比养分对模拟根系分泌物在稻田土壤中周转的影响

作者：杜林森湖南农业大学

学位级别：硕士

根系分泌物是稻田土壤外源碳的主要来源之一,目前关于稻田根系分泌物及其诱导的土壤生态学效应研究主要侧重于根际碳(C)源输入,但是关于根际碳与氮、磷元素耦合关系及其对土壤生态功能影响的研究较少,极大地限制了我们对稻田根系-土壤... 详细信息

根系分泌物是稻田土壤外源碳的主要来源之一,目前关于稻田根系分泌物及其诱导的土壤生态学效应研究主要侧重于根际碳(C)源输入,但是关于根际碳与氮、磷元素耦合关系及其对土壤生态功能影响的研究较少,极大地限制了我们对稻田根系-土壤互作机制的深入认识。因而本文通过结合13C同位素示踪技术和元素计量学知识,分析了不同养分元素计量比条件下的稻田土壤根系分泌物的周转及其元素计量比调控机制,为研究稻田生态系统中土壤固碳潜力及温室气体减排提供理论依据。本研究选择亚热带典型水稻土为对象,综合应用生态元素计量学和同位素示踪技术相关方法,以葡萄糖、草酸、丙氨酸3种物质组成的模拟根系分泌物化合物为碳源,并进行13C标记,同时设置两种添加方式(一次添加和持续添加)及与微生物碳源利用率(CUE)匹配的4种计量比养分,实验处理如下:一次添加处理(PI):对照(土壤+水);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0)(其中C:N:P(0)是指微生物的CUE为0时,养分溶液中C:N:P比值);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0.2);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0.4);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0.6);持续添加处理(CI):土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0.2);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0.4);土壤+模拟根系分泌物+养分溶液C:N:P(0.6)。以此研究稻田土壤模拟根系分泌物周转规律及其计量比调控特征,所得结果如下所示:(1)模拟根系分泌物的输入提高了土壤碳的矿化量;并且随着养分元素计量比的增加,土壤中内、外源碳的累积矿化率逐渐降低;持续添加处理的土壤内源碳累积释放量和矿化率显著高于一次添加处理。在一次添加处理中,养分元素计量比的上升导致土壤中外源碳的快速转化碳库的比例下降16%,外源碳矿化率相应降低;而在持续添加处理中,土壤中外源碳的快速转化碳库的比例随着养分元素计量比的上升,提高了22.5%,但是矿化率逐渐下降。(2)模拟根系分泌物的添加对土壤MBC,MBN和MBP影响显著,促进了MBC、MBN及MBP含量的显著提高。养分元素计量比的变化显著影响土壤C、N、P的转化,提高元素计量比后,微生物同化吸收养分元素的水平也同步提高,对应的MBC、MBN及MBP含量显著增加。相较于一次性输入养分,持续添加养分的方式提高微生物对C、N、P元素利用的延续性,从而使持续添加养分处理的土壤MBC、MBN、MBP含量显著高于一次性添加处理。(3)加入模拟根系分泌物和养分元素条件下,微生物生物量与矿化生成CO2的内、外源碳矿化率呈负相关关系,而与矿化生成CH4的内外源碳矿化率呈正相关关系。在一次性添加处理中,土壤酶活性(BG、NAG、AP)与矿化生成CO2的内、外源碳矿化率呈负相关关系,与矿化生成CH4的内、外源碳矿化率呈正相关关系;在持续添加处理中,矿化生成CO2的内、外源碳矿化率与NAG酶活性呈正相关关系,与BG、AP呈负相关关系,矿化生成CH4的内、外源碳矿化率与土壤酶活性(BG、NAG、AP)呈正相关关系。(4)模拟根系分泌物与养分元素的输入影响了土壤理化及微生物量的C:N:P比值,从而影响土壤碳的矿化,矿化生成CO2的内、外源碳矿化与C:P和C:N比值变化均呈正相关关系。C、N、P等元素的输入直接改变了土壤理化特征、微生物量和关键功能酶活性等,同时也反馈调控土壤外源碳的周转过程。

关键词：稻田土壤模拟根系分泌物土壤碳周转酶活性元素计量比

腐殖酸对水稻光合碳的输入、转化及稳定过程的影响机制

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腐殖酸对水稻光合碳的输入、转化及稳定过程的影响机制

作者：林森中南林业科技大学

学位级别：硕士

稻田土壤有机碳(SOC)是陆地碳库的重要组成部分,其积累与分解在控制温室气体排放(CO、CH)、增加土壤碳固定等方面起着重要的作用。腐殖酸(HA)物料作为稻田土壤有机质中最活跃、最重要的一种高分子香族醌类聚合物,其含量的高低可能会导... 详细信息

稻田土壤有机碳(SOC)是陆地碳库的重要组成部分,其积累与分解在控制温室气体排放(CO、CH)、增加土壤碳固定等方面起着重要的作用。腐殖酸(HA)物料作为稻田土壤有机质中最活跃、最重要的一种高分子香族醌类聚合物,其含量的高低可能会导致水稻土的物理性质、化学性质和微生物群落结构发生改变,进而影响水稻光合碳在“水稻-土壤”体系中的输入与周转。其结果对提高土壤肥力、减少温室气体排放以及土壤固碳提供有效的科学依据。因此,选取湖南省中国科学院长沙农业环境观测研究站长期定位实验点土壤,对水稻土壤进行室外模拟试验,设置腐殖酸添加组和未腐殖酸添加组。通过(13C-NaCO和NaCO)在CO发生器中与过量的HSO(0.5mol.L)反应产生的13CO,模拟大气中CO进行连续标记试验。本研究在阐明腐殖酸添加条件下,对水稻光合碳输入、周转及其稳定过程提供了理论依据,其结果对提高土壤肥力、减少温室气体排放以及土壤固碳提供有效的科学依据。(1)腐殖酸添加显著影响了水稻光合碳在“水稻-土壤”系统的输入与分配。腐殖酸添加处理较腐殖酸未添加处理相比,增加了水稻7.3%地下部干物质量的积累,使得8%～33%光合碳向地下部的传输,并在水稻生长初期显著增加了25.4%根冠比。水稻光合13C在水稻各部分分配比例随着水稻生育期的推移不断变化,结果如下:地上部13C分配比例逐渐增加,主要用于形成谷粒,地下部和土壤中13C分配下降。(2)腐殖酸添加显著影响了稻田CO和CH的排放量。随着水稻生育期的推移,两种施肥情况下,稻田土壤CO和CH排放通量与土壤有机质(SOM)分解矿化相差较大。腐殖酸添加处理较未添加腐殖酸处理相比,促进了C0排放量和来源于SOM的CO的排放,显著增加了 37%的CO的激发效应;但却抑制了CH排放量和来源于SOM的CH的排放,降低了 14%的CH的激发效应。(3)光合际沉积碳输入土壤后,腐殖酸添加显著影响了土壤中C/N/P化学计量比,微生物受控于计量学原理,进而调节C、N、P养分的利用率。腐殖酸添加处理较未添加腐殖酸处理相比,显著降低了微生物有机碳(MBC)、微生物氮(MBN)和微生物磷MBP含量,相关性分析显示:土壤中MBC、MBN和MBP呈极显著正相关(p碳激发效应(PE)和甲烷激发效应(PE)(p碳输入土壤稳定过程中,腐殖酸添加显著影响了光合际沉积碳在土壤中的累计量。土壤中团聚体组分含量的分布为:黏粒-粉粒>微团聚体>大团聚体,因此水稻光合碳的绝对含量也相应的随之变化,其主要是黏粒-粉粒组分在稻田土壤中占绝对高的含量,腐殖酸添加处理较未添加腐殖酸处理相比,显著降低了光合碳在黏粒-粉粒的积累,并且主要分布在小颗粒上矿物质结合有机碳降低了59%。另外,通过不同颗粒中光合碳含量以及活性铁结合碳与土壤酶活性做相关性分析,结果显示呈一定的相关性,说明在这一稳定过程中,微生物酶活性起者一定的作用。综上所述:腐殖酸添加通过促进水稻地下部生长,进而增加了水稻光合碳向土壤中的输入量,从而改变了水稻根际状况下C/N/P化学计量比,影响了微生物种类与数量,进一步对土壤有机碳的稳定产生变化,从而影响了水稻根际激发效应和光合碳在土壤中的稳定,其结果对全球温室气体排放以及土壤碳循环提供理论依据。

关键词：稻田土壤土壤碳周转光合碳激发效应腐殖酸土壤酶活