植物生物质与无机氮共添加对土壤有机碳及其分子组成的影响机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 戴伟杰 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 韦朝阳 |
| 关键词 | 土壤有机碳库 植物生物质性质 不同浓度和形态氮 干湿交替 有机官能团及分子组成 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 耕地土壤有机碳对维持土壤肥力、保障粮食生产安全及实现碳中和具有重大的意义。人类过度开垦导致耕地土壤有机碳的流失速度超过其补充速度，这也意味着耕地土壤具有较大的固碳潜力。尽管外源植物生物质添加可快速提高土壤总有机碳含量，但并不意味着新加入的有机碳能长期稳定地固存。土壤有机碳主要分为两大碳库：颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）。其中，MAOC由溶解性有机碳（DOC）和微生物残体碳等小分子通过物理化学作用与黏土矿物紧密结合，是固存时间最持久的有机碳库。然而，植物生物质的性质差异、不同形态和浓度氮添加、干湿交替导致的水分变化都能显著改变DOC或氮素的可给性，并影响微生物残体碳的合成和MAOC积累，但相关研究目前比较缺乏。本研究采用室内培养实验，探究三种生物质包括梧桐树枝、树叶和小麦秸秆与铵氮共添加、不同浓度硝氮和铵氮与小麦秸秆共添加、干湿交替条件下铵氮与小麦秸秆共添加下土壤性质、土壤呼吸排放、不同有机碳库的动态变化，揭示不同条件下MAOC和微生物残体碳积累的驱动机制。主要研究结果如下：（1）土壤CO2-C和N2O呼吸速率在前3天内最大，之后显著降低。培养3个月后，与CK相比，三种生物质添加促进了CO2-C累计排放达4.10~6.69倍。低浓度铵态氮（50mg/kg）仅能显著促进树枝的累计碳排放，对树叶和秸秆无促进作用。随着氮添加浓度增加，累计碳排放显著增加，硝态氮比铵态氮更能促进秸秆碳排放。与CK相比，高浓度铵态氮和硝态氮（150mg/kg）显著促进秸秆累计碳排放分别达10.80倍和13.66倍。与恒定含水处理相比，四次干湿交替显著降低秸秆与低浓度铵氮共添加后的累计碳排放量达10.80%，有利于碳隔离。与仅添加铵氮对比，树枝和树叶显著降低由铵氮添加导致的N2O累计排放达72.87% 和93.69%，而秸秆无降低作用。铵态氮与秸秆共添加比硝态氮更易引起N2O温室气体排放和氮肥流失。干湿交替对N2O累计排放无显著影响。所有处理的甲烷排放可忽略。 （2）添加生物质后，MAOC含量在培养过程中呈下降趋势。植物性质差异显著影响土壤有机碳库的分配和周转。培养3个月后，与CK相比，三种生物质添加均能显著提高土壤MAOC达0.90~2.09倍，树叶添加后中MAOC含量最高，树枝与秸秆无显著区别；POC含量增加达8.07~17.67倍，树枝添加后残留POC最多，秸秆和树叶无显著区别。低浓度铵态氮与三种生物质共添加对MAOC和POC的含量无显著影响。不同浓度和形态氮与秸秆共同添加对MAOC的含量无显著影响；高浓度硝态氮和铵态氮促进了秸秆添加后POC的分解，且硝态氮促进作用更明显，表明氮添加主要影响土壤不稳定性有机碳库。四次干湿交替后，秸秆添加使MAOC增加的百分量比恒定含水量更多，更有利于稳定性有机碳的维持。 （3）添加生物质后，细菌残体碳含量在培养过程中呈下降趋势，而真菌残体碳含量则上升或不变，说明微生物进行了“氮挖掘”，且细菌残体碳在缺氮条件下更容易被分解。培养3个月后，与CK相比，添加三种生物质使细菌残体碳的含量显著增加28.99%~86.31%，树叶添加使细菌残体碳增加最多，而树枝最少。不同形态和浓度氮添加对细菌残体碳的积累无显著影响。三种生物质添加对真菌残体碳无促进作用，除高浓度硝态氮与秸秆共添加显著增加48.16%。与恒定含水量处理相比，干湿交替下所有组的细菌残体碳和真菌残体碳变化趋势相似。四次干湿交替后低浓度铵氮与秸秆共添加对细菌残体碳增加量比恒定含水量下更多。三种生物质添加后，微生物残体碳的积累由细菌残体碳主导。添加秸秆促进土壤大团聚体形成，干湿交替对土壤团聚体无明显影响，大团聚体中丰富的营养物质有利于细菌残体碳积累。 （4）傅里叶红外光谱（FTIR）分析表明所有组中MAOC以不稳定有机碳为主，添加三种生物质使MAOC的稳定性和微生物氧化作用减弱，这解释了MAOC在培养过程中不断下降。低浓度铵态氮与树枝或树叶共添加对MAOC稳定性和微生物氧化作用无影响。秸秆与不同浓度和形态氮共添加提高了MAOC的微生物氧化程度和稳定性，且高浓度氮提升更大。热裂解气相色谱质谱（Py-GCMS）分析发现，添加秸秆和树叶显著提高MAOC的Shannon分子多样性达 34.14%~38.79%，而树枝添加无显著变化，分子多样性的提高有利于促进MAOC积累，但高浓度氮与秸秆共添加有降低分子多样性的趋势。与CK相比，三种生物质添加显著改变MAOC的分子组成，提高植物源多糖和微生物源含氮化合物的相对丰度。与仅添加秸秆相比，低浓度铵态氮与秸秆共添加对MAOC的分子组成无明显影响，而高浓度铵态氮和低高浓度硝态氮与秸秆共添加显著改变MAOC的分子组成，降低植物源酚类化合物的相对丰度，并提高持久性芳香化合物的相对丰度。三种生物质添加后MAOC的积累主要依靠体外机制中土壤黏土矿物直接吸附可溶性有机碳，而体内机制中细菌残体碳对MAOC的贡献大于真菌残体碳。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209239]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 戴伟杰. 植物生物质与无机氮共添加对土壤有机碳及其分子组成的影响机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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