無定形鋁氧化物對(duì)雷竹土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響

劉國群

(柯城區(qū)土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324000)

無定形鋁氧化物對(duì)雷竹土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響

劉國群

(柯城區(qū)土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324000)

通過對(duì)不同覆蓋年限的雷竹林土壤添加無定形鋁氧化物，進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，分析土壤有機(jī)質(zhì)礦化，以及土壤微生物活性的變化，探討無定形鋁氧化物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響。結(jié)果顯示，無定形鋁氧化物通過吸附及抑制微生物活性，抑制土壤有機(jī)質(zhì)的分解。當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)和無定形鋁氧化物的含量水平在一定范圍內(nèi)時(shí)，無定形鋁氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的抑制作用主要通過抑制微生物的活性來實(shí)現(xiàn)。

無定形鋁氧化物； 土壤有機(jī)質(zhì)； 分解轉(zhuǎn)化； 雷竹

雷竹(Phyllostachyspraecoxf.preveynalis)是浙江德清、余杭、臨安等地栽培的一種筍用竹種。種植戶為了使雷筍提前上市增加收益，往往采用稻草、秕谷等有機(jī)物覆蓋增溫的種植模式，使得雷竹林土壤在短時(shí)間內(nèi)累積大量有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)在土壤肥力、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、全球碳平衡等方面有著重要的作用。南方紅壤中含有大量的鐵鋁氧化物及其水合物，相關(guān)研究表明，鐵鋁氧化物主要通過對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的吸附[1-3]，以及土壤微生物和酶等途徑[4]影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化。然而，相關(guān)研究主要針對(duì)自然環(huán)境下有機(jī)質(zhì)緩慢積累的土壤，對(duì)人為造成的有機(jī)質(zhì)快速積累的土壤的研究較少；同時(shí)，鐵鋁氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附作用和對(duì)微生物活性的影響，哪種因素對(duì)有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化起主導(dǎo)作用也缺乏深入探討。由于人為干擾，雷竹林土壤有機(jī)質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)迅速積累。本研究擬通過室內(nèi)培養(yǎng)的方法來探討無定形鋁氧化物對(duì)雷竹林土壤有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的影響及其可能機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣地位于浙江省臨安市，采樣點(diǎn)包括水稻田，和由水稻田改種的，種植時(shí)間分別為1、5、15 a的雷竹林。雷竹生長5 a左右，每年11月下旬到12月上旬，竹農(nóng)在雷竹地表覆蓋一層10～15 cm稻草，然后再覆蓋一層10～15 cm礱糠用于提高土壤的溫度，促進(jìn)雷筍早上市，直到翌年3—4月除去上層礱糠。土壤樣品采集深度為0～20 cm。

1.2 分析方法

土壤樣品采集后，在室內(nèi)風(fēng)干，然后研磨、過篩，備用。土壤pH、有機(jī)質(zhì)、無定形鋁含量和陽離子交換量等常規(guī)項(xiàng)目測(cè)定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[5]。土壤有機(jī)質(zhì)組成結(jié)構(gòu)采用13C NMR核磁共振分析，微生物活性測(cè)定采用熒光素二乙酸酯水解酶(FDA)法。

1.3 CO2釋放量測(cè)定

稱取無定形鋁氧化物0、0.1、0.5、1.0、2.0 g，分別加入到50 g土樣中(相當(dāng)于每千克土加入無定形鋁氧化物0、2、10、20、40 g，分別記為Al_0、Al_2、Al_10、Al_20、Al_40)，混合均勻后放入容量為1 L培養(yǎng)瓶中，平鋪于培養(yǎng)瓶底部，加入蒸餾水，使含水量為田間持水量的60%，同時(shí)將盛有10 mL 0.1 mol·L-1NaOH的25 mL燒杯放在培養(yǎng)瓶中，然后將培養(yǎng)瓶密封，28 ℃恒溫培養(yǎng)，定期測(cè)定培養(yǎng)瓶中CO2釋放量。試驗(yàn)設(shè)置空白對(duì)照，所有處理均設(shè)3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)土壤基本性質(zhì)

從表1可以看出，水稻田改種雷竹后，土壤pH隨著雷竹種植時(shí)間的延長而顯著降低。土壤有機(jī)質(zhì)含量在改種雷竹后有所降低，之后迅速提高。這是由于水田變旱地后，土壤含水量降低，通氣性能增加等，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)分解速率加快；而在5 a后，竹農(nóng)開始在土表覆蓋有機(jī)物，導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)增加。土壤中全氮、C/N的變化規(guī)律與有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律一致。土壤中全鋁含量以15 a雷竹土壤下降明顯，無定形鋁含量在供試土壤間無顯著差異。

表1 供試土壤樣品的基本性質(zhì)

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征

13C核磁共振圖譜的不同峰值代表不同的碳結(jié)構(gòu)，峰的高度和面積表示該組成相對(duì)含量的高低。各供試土壤有機(jī)質(zhì)13C核磁共振圖譜峰型比較一致，但峰的高度和面積存在差異，表明各土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成相類似，但各組成的相對(duì)含量不一樣。將圖譜各峰積分面積轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)不同組成的相對(duì)含量，可以清晰反映出有機(jī)質(zhì)中不同碳組成的相對(duì)含量。從表2可以看出，水稻土有機(jī)質(zhì)中烷基碳相對(duì)含量較高，芳基碳相對(duì)含量較低，改種雷竹后土壤有機(jī)質(zhì)脂肪度降低，芳香度提高。

表2 不同種植年限雷竹林土壤有機(jī)質(zhì)的相對(duì)組成 %

2.3 無定形鋁氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的影響

本試驗(yàn)所用的無定形鋁氧化物的比表面積為225 m2·g-1。培養(yǎng)試驗(yàn)在進(jìn)行到43 d后，CO2的釋放量比較平穩(wěn)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長釋放量不存在顯著性差異，所以在試驗(yàn)進(jìn)行到67 d時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

從圖1可以看出，土樣加入無定形鋁氧化物后，各土樣有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2量減少，且CO2的釋放量與無定形鋁氧化物的添加量呈顯著負(fù)相關(guān)。整個(gè)試驗(yàn)過程，水稻土對(duì)照組CO2的釋放量為4 392 mg·kg-1土，Al_0、Al_2、Al_10、Al_20、Al_40組CO2的釋放量分別為4 062、2 632、2 160、1 890 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)分解抑制率分別為7.49%、38.04%、50.79%、56.98%。1 a與5 a雷竹土壤上的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出與水稻土相似的趨勢(shì)。但是，當(dāng)向15 a雷竹土加入2 g·kg-1無定形鋁氧化物時(shí)，CO2的釋放量為12 331 mg·kg-1，較對(duì)照的11 644 mg·kg-1增加了687 mg·kg-1，即低劑量的無定形鋁氧化物的添加不但沒有抑制有機(jī)質(zhì)的分解，反而卻起到了促進(jìn)作用。由此可見，無定形鋁氧化物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)不僅是簡單的抑制作用，在某些情況下還可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

圖1 添加無定形鋁氧化物后土壤CO2累計(jì)釋放情況

2.4 無定形鋁氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附作用

溶解性有機(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分[6]，在許多土壤化學(xué)及生物過程中起著重要作用，在280 nm波段內(nèi)苯和酚類化合物發(fā)生π-π*的鍵能遷移[7-8]，因此該波段的吸光值可反映有機(jī)質(zhì)中芳香碳的相對(duì)含量，即吸光值越大，芳香碳含量越高。從圖2可以看出，隨著無定形鋁氧化物的增加，各處理溶解性有機(jī)質(zhì)的吸光值都降低，當(dāng)無定形鋁氧化物添加量達(dá)到20 g·kg-1以后，吸光值趨于穩(wěn)定。據(jù)此推測(cè)，無定形鋁氧化物吸附了溶解性有機(jī)質(zhì)，且在被吸附的這部分溶解性有機(jī)質(zhì)中，芳香類有機(jī)碳所占的比例較大。

圖2 供試土壤礦化后溶解性有機(jī)質(zhì)在280 nm處吸光度

2.5 無定形鋁氧化物對(duì)微生物活性的影響

采用熒光素二乙酸酯水解酶(FDA)法來反映土壤中總的微生物活性。從圖3可以看出，土壤中微生物活性隨無定形鋁添加量的增加而降低，但當(dāng)無定形鋁氧化物的加入量從20增加到40 g·kg-1時(shí)，土壤微生物活性降幅較小?？傮w來看，向各供試土壤樣品添加不同劑量的無定形鋁氧化物后，土壤微生物活性變化與CO2累積釋放量的變化趨勢(shì)大體一致，暗示土壤微生物活性與CO2的釋放間可能存在一定的正相關(guān)性。

圖3 無定形鋁氧化物對(duì)微生物活性的影響

2.6 無定形鋁氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的影響機(jī)制

利用無定形鋁氧化物對(duì)微生物活性的抑制率與對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的抑制率的比值來表示微生物活性對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的貢獻(xiàn)率。從表3可以看出，向水稻土，以及1 a、5 a雷竹土分別加入10、20、40 g·kg-1的無定形鋁氧化物時(shí)，微生物活性對(duì)抑制有機(jī)質(zhì)分解的貢獻(xiàn)率都在60%以上。由此可見，當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)和無定形鋁氧化物的含量水平在一定范圍內(nèi)時(shí)，無定形鋁氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的抑制作用主要是通過抑制微生物的活性來實(shí)現(xiàn)的。

表3 微生物活性對(duì)抑制有機(jī)質(zhì)分解的貢獻(xiàn)率 %

3 討論

本研究以受到人為干擾，能在短時(shí)間內(nèi)迅速積累大量有機(jī)質(zhì)的雷竹土為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)無定形鋁氧化物對(duì)此類土壤有機(jī)質(zhì)分解具有抑制作用，且抑制率與無定形鋁氧化物的添加量表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)和無定形鋁氧化物的含量處于一定范圍時(shí)，其主要通過抑制微生物活性來影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解。

水稻田改種雷竹后，土壤有機(jī)質(zhì)脂肪度降低，芳香度升高，說明有機(jī)質(zhì)中穩(wěn)定態(tài)組成相對(duì)含量升高，有機(jī)質(zhì)被土壤固定。本研究中，當(dāng)向土壤中添加無定形鋁氧化物后，總體上是抑制土壤有機(jī)質(zhì)分解的，但在15 a雷竹土壤中添加2 g·kg-1無定形鋁氧化物時(shí)，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的分解，具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。無定形鋁氧化物主要通過對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附作用和影響制微生物活性來抑制有機(jī)質(zhì)的分解，但本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的土壤和不同的無定形鋁添加量，這兩種作用機(jī)制對(duì)有機(jī)質(zhì)分解抑制的貢獻(xiàn)率是不一樣的。在下一步的研究中，應(yīng)細(xì)化有機(jī)質(zhì)與無定形鋁的比例，深入探討其對(duì)有機(jī)質(zhì)分解抑制的貢獻(xiàn)，以及可能的作用機(jī)制。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

2016-12-09

衢州市農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用創(chuàng)新項(xiàng)目

劉國群(1980—)，男，農(nóng)藝師，碩士，主要研究方向?yàn)橥寥缹W(xué)，E-mail：275817759@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170425

S153.2

A

0528-9017(2017)04-0626-03

文獻(xiàn)著錄格式：劉國群. 無定形鋁氧化物對(duì)雷竹土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(4)：626-628.