无定形铝氧化物对雷竹土壤有机质矿化的影响
[刘国群
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刘国群. 无定形铝氧化物对雷竹土壤有机质矿化的影响[J]. 浙江农业科学, 2017,(4):626-628 
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无定形铝氧化物对雷竹土壤有机质矿化的影响
作者简介:刘国群(1980—),男,农艺师,硕士,主要研究方向为土壤学,E-mail:275817759@qq.com。
摘要
通过对不同覆盖年限的雷竹林土壤添加无定形铝氧化物,进行室内培养,分析土壤有机质矿化,以及土壤微生物活性的变化,探讨无定形铝氧化物对土壤有机质矿化的影响。结果显示,无定形铝氧化物通过吸附及抑制微生物活性,抑制土壤有机质的分解。当土壤中有机质和无定形铝氧化物的含量水平在一定范围内时,无定形铝氧化物对有机质分解的抑制作用主要通过抑制微生物的活性来实现。
关键词:
无定形铝氧化物; 土壤有机质; 分解转化; 雷竹
中图分类号:S153.2
文献标志码:A
文章编号:0528-9017(2017)04-0626-03
doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20170425
雷竹(Phyllostachy spraecox f. preveynalis)是浙江德清、余杭、临安等地栽培的一种笋用竹种。种植户为了使雷笋提前上市增加收益, 往往采用稻草、秕谷等有机物覆盖增温的种植模式, 使得雷竹林土壤在短时间内累积大量有机质。有机质在土壤肥力、农业可持续发展、全球碳平衡等方面有着重要的作用。南方红壤中含有大量的铁铝氧化物及其水合物, 相关研究表明, 铁铝氧化物主要通过对土壤有机质的吸附[1, 2, 3], 以及土壤微生物和酶等途径[4]影响土壤有机质的分解转化。然而, 相关研究主要针对自然环境下有机质缓慢积累的土壤, 对人为造成的有机质快速积累的土壤的研究较少; 同时, 铁铝氧化物对有机质的吸附作用和对微生物活性的影响, 哪种因素对有机质分解转化起主导作用也缺乏深入探讨。由于人为干扰, 雷竹林土壤有机质在短时间内迅速积累。本研究拟通过室内培养的方法来探讨无定形铝氧化物对雷竹林土壤有机质分解转化的影响及其可能机制。
1 材料与方法
1.1 样品采集
采样地位于浙江省临安市, 采样点包括水稻田, 和由水稻田改种的, 种植时间分别为1、5、15 a的雷竹林。雷竹生长5 a左右, 每年11月下旬到12月上旬, 竹农在雷竹地表覆盖一层10~15 cm稻草, 然后再覆盖一层10~15 cm砻糠用于提高土壤的温度, 促进雷笋早上市, 直到翌年3— 4月除去上层砻糠。土壤样品采集深度为0~20 cm。
1.2 分析方法
土壤样品采集后, 在室内风干, 然后研磨、过筛, 备用。土壤pH、有机质、无定形铝含量和阳离子交换量等常规项目测定参照《土壤农业化学分析方法》[5]。土壤有机质组成结构采用13C NMR核磁共振分析, 微生物活性测定采用荧光素二乙酸酯水解酶(FDA)法。
1.3 CO2释放量测定
称取无定形铝氧化物0、0.1、0.5、1.0、2.0 g, 分别加入到50 g土样中(相当于每千克土加入无定形铝氧化物0、2、10、20、40 g, 分别记为Al_0、Al_2、Al_10、Al_20、Al_40), 混合均匀后放入容量为1 L培养瓶中, 平铺于培养瓶底部, 加入蒸馏水, 使含水量为田间持水量的60%, 同时将盛有10 mL 0.1 mol· L-1 NaOH的25 mL烧杯放在培养瓶中, 然后将培养瓶密封, 28 ℃恒温培养, 定期测定培养瓶中CO2释放量。试验设置空白对照, 所有处理均设3次重复。
2 结果与分析
2.1 试验土壤基本性质
从表1可以看出, 水稻田改种雷竹后, 土壤pH随着雷竹种植时间的延长而显著降低。土壤有机质含量在改种雷竹后有所降低, 之后迅速提高。这是由于水田变旱地后, 土壤含水量降低, 通气性能增加等, 导致有机质分解速率加快; 而在5 a后, 竹农开始在土表覆盖有机物, 导致土壤表层有机质增加。土壤中全氮、C/N的变化规律与有机质的变化规律一致。土壤中全铝含量以15 a雷竹土壤下降明显, 无定形铝含量在供试土壤间无显著差异。
 | 表1 供试土壤样品的基本性质 |
2.2 土壤有机质的结构特征
13C核磁共振图谱的不同峰值代表不同的碳结构, 峰的高度和面积表示该组成相对含量的高低。各供试土壤有机质13C核磁共振图谱峰型比较一致, 但峰的高度和面积存在差异, 表明各土壤有机质的结构组成相类似, 但各组成的相对含量不一样。将图谱各峰积分面积转化为有机质不同组成的相对含量, 可以清晰反映出有机质中不同碳组成的相对含量。从表2可以看出, 水稻土有机质中烷基碳相对含量较高, 芳基碳相对含量较低, 改种雷竹后土壤有机质脂肪度降低, 芳香度提高。
| 表2 不同种植年限雷竹林土壤有机质的相对组成% |
2.3 无定形铝氧化物对有机质分解的影响
本试验所用的无定形铝氧化物的比表面积为225 m2· g-1。培养试验在进行到43 d后, CO2的释放量比较平稳, 随着培养时间的延长释放量不存在显著性差异, 所以在试验进行到67 d时, 结束试验。
从图1可以看出, 土样加入无定形铝氧化物后, 各土样有机质分解产生的CO2量减少, 且CO2的释放量与无定形铝氧化物的添加量呈显著负相关。整个试验过程, 水稻土对照组CO2的释放量为4 392 mg· kg-1土, Al_0、Al_2、Al_10、Al_20、Al_40组CO2的释放量分别为4 062、2 632、2 160、1 890 mg· kg-1, 有机质分解抑制率分别为7.49%、38.04%、50.79%、56.98%。1 a与5 a雷竹土壤上的试验结果表现出与水稻土相似的趋势。但是, 当向15 a雷竹土加入2 g· kg-1无定形铝氧化物时, CO2的释放量为12 331 mg· kg-1, 较对照的11 644 mg· kg-1增加了687 mg· kg-1, 即低剂量的无定形铝氧化物的添加不但没有抑制有机质的分解, 反而却起到了促进作用。由此可见, 无定形铝氧化物对土壤有机质不仅是简单的抑制作用, 在某些情况下还可以促进有机质的分解转化, 具体作用机制有待进一步研究。
 | 图1 添加无定形铝氧化物后土壤CO2累计释放情况 |
2.4 无定形铝氧化物对有机质的吸附作用
溶解性有机质是土壤有机质的活性部分[6], 在许多土壤化学及生物过程中起着重要作用, 在280 nm波段内苯和酚类化合物发生π -π * 的键能迁移[7, 8], 因此该波段的吸光值可反映有机质中芳香碳的相对含量, 即吸光值越大, 芳香碳含量越高。从图2可以看出, 随着无定形铝氧化物的增加, 各处理溶解性有机质的吸光值都降低, 当无定形铝氧化物添加量达到20 g· kg-1以后, 吸光值趋于稳定。据此推测, 无定形铝氧化物吸附了溶解性有机质, 且在被吸附的这部分溶解性有机质中, 芳香类有机碳所占的比例较大。
 | 图2 供试土壤矿化后溶解性有机质在280 nm处吸光度 |
2.5 无定形铝氧化物对微生物活性的影响
采用荧光素二乙酸酯水解酶(FDA)法来反映土壤中总的微生物活性。从图3可以看出, 土壤中微生物活性随无定形铝添加量的增加而降低, 但当无定形铝氧化物的加入量从20增加到40 g· kg-1时, 土壤微生物活性降幅较小。总体来看, 向各供试土壤样品添加不同剂量的无定形铝氧化物后, 土壤微生物活性变化与CO2累积释放量的变化趋势大体一致, 暗示土壤微生物活性与CO2的释放间可能存在一定的正相关性。
 | 图3 无定形铝氧化物对微生物活性的影响 |
2.6 无定形铝氧化物对有机质分解的影响机制
利用无定形铝氧化物对微生物活性的抑制率与对有机质分解的抑制率的比值来表示微生物活性对有机质分解的贡献率。从表3可以看出, 向水稻土, 以及1 a、5 a雷竹土分别加入10、20、40 g· kg-1的无定形铝氧化物时, 微生物活性对抑制有机质分解的贡献率都在60%以上。由此可见, 当土壤中有机质和无定形铝氧化物的含量水平在一定范围内时, 无定形铝氧化物对有机质分解的抑制作用主要是通过抑制微生物的活性来实现的。
| 表3 微生物活性对抑制有机质分解的贡献率 % |
3 讨论
本研究以受到人为干扰, 能在短时间内迅速积累大量有机质的雷竹土为研究对象, 发现无定形铝氧化物对此类土壤有机质分解具有抑制作用, 且抑制率与无定形铝氧化物的添加量表现出一定的正相关性。当土壤中有机质和无定形铝氧化物的含量处于一定范围时, 其主要通过抑制微生物活性来影响土壤有机质的分解。
水稻田改种雷竹后, 土壤有机质脂肪度降低, 芳香度升高, 说明有机质中稳定态组成相对含量升高, 有机质被土壤固定。本研究中, 当向土壤中添加无定形铝氧化物后, 总体上是抑制土壤有机质分解的, 但在15 a雷竹土壤中添加2 g· kg-1无定形铝氧化物时, 促进了有机质的分解, 具体作用机制有待进一步研究。无定形铝氧化物主要通过对有机质的吸附作用和影响制微生物活性来抑制有机质的分解, 但本研究发现, 对于不同的土壤和不同的无定形铝添加量, 这两种作用机制对有机质分解抑制的贡献率是不一样的。在下一步的研究中, 应细化有机质与无定形铝的比例, 深入探讨其对有机质分解抑制的贡献, 以及可能的作用机制。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献:
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