有機物料和氮添加對寧夏沙化土壤碳礦化的影響

龐 飛, 李志剛, 李 健

(1.寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,銀川 750021； 3.寧夏林業(yè)研究院 種苗生物工程國家重點實驗室, 銀川 750004)

有機碳是土壤中最重要的組成成分[1]。土壤中固有有機碳和外源有機碳經(jīng)過微生物分解釋放CO2的數(shù)量與強度可以反映土壤質(zhì)量狀況以及評價環(huán)境因素或人為因素對其產(chǎn)生的影響[2-3]。土壤有機碳的礦化過程受水分、溫度、管理措施、土壤理化性質(zhì)等多種因素的影響[3]。目前國內(nèi)外土壤礦化研究主要是草林地[4-5]、沼澤濕地[6]、農(nóng)田[7]等，而關(guān)于沙化土地的研究則鮮有報道。

沙漠化是最主要的土地退化類型之一，寧夏沙化耕、林、草地占寧夏沙化土地的84%[8]。這些土地比較貧瘠，提高這部分土壤的肥沃程度對寧夏農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境發(fā)展具有重要意義。土壤沙化的過程也是土壤中有機碳減少的過程[9]。土壤中的有機碳是微生物、土壤酶和礦物質(zhì)的有機載體,它能增強土壤孔隙度、通氣性和結(jié)構(gòu)性,有顯著的緩沖作用和持水作用。提高土壤中的有機碳是沙化土壤改良與修復(fù)過程中重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)前有通過外源性有機物料輸入提高沙化土壤有機碳含量并取得較好效果的報道[10-11]，但關(guān)于通過有機物料添加對沙化土壤有機碳礦化影響的研究則很少。

近些年關(guān)于外源性氮輸入對土壤有機碳礦化的影響因結(jié)果不同而存在爭議[12-13]。氮素作為土壤中重要的營養(yǎng)元素，尤其在沙化土壤中，氮素的缺少是土壤微生物生長繁殖受限的因素之一，而微生物是碳礦化的重要參與者，關(guān)于氮添加對沙化土壤碳礦化及微生物生長影響的研究則少之又少?；诖?，本試驗進一步深化研究有機物料配施氮肥對沙化土壤有機碳礦化的影響。以期為寧夏當(dāng)?shù)丶爸袊狈降纳衬寥郎镄迯?fù)提供的參考與數(shù)據(jù)支撐。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)域自然概況與材料

研究區(qū)位于銀川腹部沙地(106°08′—107°22′E，38°28′—38°42′N，海拔約1 115 m)，地處我國西北內(nèi)陸，為中溫帶半干旱大陸性氣候,分布有流動沙丘，是寧夏的沙漠化地區(qū)。年均氣溫10.1℃，年均降雨量181.2 mm。年均蒸發(fā)量為1 882.5 mm[14]，處理之前的土壤及材料基本理化性質(zhì)：土壤pH值8.97，有機碳含量為12.99 g/kg、全氮含量0.798 g/kg、全磷含量0.068g/kg、全鉀含量16.51 g/kg。枝條有機碳535.0 g/kg、全氮3.7 g/kg，秸稈有機碳201.3 g/kg、全氮13.5 g/kg。

1.2　試驗設(shè)計

本研究于2016年4月完成試驗布置，采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以有機物料類型為主處理，氮肥水平為副處理。主處理包括不添加(N)、添加枝條(B):5 g/kg(土)、添加秸稈(S):5 g/kg(土)，副處理包括4個氮水平(以純氮計):N0,0 mg/kg;N1,40 mg/kg(為當(dāng)?shù)氐纳车剞r(nóng)林生產(chǎn)正常施用量);N2,50 mg/kg;N3,60 mg/kg，共12個處理，每個處理3個重復(fù)。

1.3　室內(nèi)培養(yǎng)與測定

本試驗采用室內(nèi)培養(yǎng)法堿液吸收法測定土壤有機碳的礦化量。將采集于試驗區(qū)的沙化土壤自然風(fēng)干后過2 mm篩，一部分用于測定土壤基本性質(zhì)。一部分用于礦化試驗。具體操作是將培養(yǎng)土樣100 g裝到1 000 ml的密閉培養(yǎng)瓶中，然后將粉碎至1 cm左右林木枝條、玉米秸稈分別添加后搖蕩混勻再將不同水平氮肥(以尿素溶液的形式)一次性添加并調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的60%。同時將盛有10 ml濃度為0.1mol/L NaOH溶液的小燒杯放入到培養(yǎng)瓶，在25℃暗室下控溫控濕培養(yǎng)。培養(yǎng)期間每隔3 d采用稱重法補充水分。在培養(yǎng)的第1 d，3 d，7 d，14 d，22 d，30 d，40 d，55 d，75 d，105 d取出小燒杯，重新放入另一個盛有10 ml濃度為0.1 mol/L NaOH溶液的小燒杯，進入下一個培養(yǎng)時期，取出的NaOH溶液用0.05 mol/L的HCl標(biāo)準溶液滴定，根據(jù)消耗的HCl的體積計算CO2-C釋放量，土壤碳礦化量用CO2-C g/kg(干土)表示。培養(yǎng)結(jié)束后土樣用于測定土壤碳、氮、微生物性質(zhì)，有機碳的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[15]。全氮的測定采用FOSS凱氏定氮儀測定。微生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸浸提法[16]。土壤過氧化氫酶的測定采用高錳酸鉀滴定法[17]，纖維素酶的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[17]；脲酶的測定采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[17]。

1.4　數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 17.0和Excel 2013軟件進行統(tǒng)計分析、作圖。用Duncan法進行多重比較。

2　結(jié)果與分析

2.1　秸稈、枝條配施氮肥下土壤中有機碳的礦化速率

各處理CO2釋放速率隨時間的動態(tài)變化如圖1所示。N，B，S處理土壤呼吸速率均在第1天達到最大值。在同一氮水平下，各類處理礦化速率呈現(xiàn)S>B>N趨勢。在同一種有機物料添加處理下，N，B處理的礦化速率均呈現(xiàn)N3>N2>N0>N1趨勢，S處理出現(xiàn)N3>N2>N1>N0趨勢，且N2, N3水平礦化速率顯著高于N0的礦化速率(p<0.05)。各處理土壤CO2釋放速率均隨培養(yǎng)時間的延長呈快速下降趨勢，至第3 d時下降了72.47%～96.54%(N)，55.58%～63.43%(B)，65.92%～75.38%(S)。后略有上升(除N)，N處理在14～30 d，SN3在30～40 d出現(xiàn)第2個小高峰，之后各處理總體上逐漸降低至一個穩(wěn)定水平。從105 d平均礦化速率看(圖2)氮素添加對土壤有機碳礦化動態(tài)的影響較大(p<0.05)，當(dāng)施氮量從N0升高至N3時，土壤有機碳礦化速率由0.024～0.029 g/(kg·d)增加到0.03～0.04 g/(kg·d)(p<0.05)。B，S處理與N相比之間的差異不顯著，并且B，S處理之間差異也不顯著。

圖1枝條、秸稈配施氮肥下處土壤CO2的動態(tài)變化

圖2　秸稈、枝條配施氮肥下土壤碳礦化平均速率

2.2　秸稈、枝條配施氮肥下土壤中有機碳的累積礦化量

如圖3所示，105 d培養(yǎng)周期內(nèi)各處理土壤有機碳累積礦化量為0.65～0.88 g/kg(N)，0.58～0.99 g/kg(B)，0.63～1.44 g/kg(S)。同一氮水平下，各處理N0水平呈S>N>B，而在N1，N2，N3水平則呈現(xiàn)S>B>N，并且在N3水平B，S處理碳礦化量顯著高于N處理碳礦化量(p<0.05)。同一種有機物料添加處理下，N處理有機碳礦化累積量呈現(xiàn)N2>N1>N0>N3，B，S處理則出現(xiàn)N3>N2>N1>N0趨勢，且N2,N3水平下有機碳累積礦化量顯著高于N0水平有機碳累積礦化量(p<0.05)。前30 d的累積礦化量占整個培養(yǎng)時期的57.97%～69.09%(N)，62.22%～71.04%(B)，58.28%～72.30%(S)，由圖2可知添加氮素后有機碳礦化量明顯增加，而添加有機物料的處理在N2，N3水平的氮添加下有機碳礦化量有顯著變化。

圖3　枝條、秸稈配施氮肥下處土壤CO2-C的累積動態(tài)變化

2.3　秸稈、枝條配施氮肥下土壤碳、氮、微生物性質(zhì)

表1所示各處理的有機碳、全氮含量不同。在同一氮水平下，各處理有機碳、全氮含量呈現(xiàn)S>B>N，其中S處理的有機碳含量顯著高于N處理的有機碳含量(p<0.05)。同一有機物料添加下，隨著施氮水平的提高各處理有機碳、全氮含量呈提高或先升高后降低趨勢，其中B，S處理在N2，N3水平有機碳含量顯著高于N0水平的有機碳含量(p<0.05)。各處理碳氮比在9～16.05。土壤微生物量碳、氮是土壤有機碳中最為活躍、最易變化的部分，是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫[18]。本試驗各處理在同一施氮量下微生物量碳、氮含量、土壤酶活性呈S>B>N趨勢(除N0水平下的纖維素酶、N1水平下的微生物量碳、N2水平下的微生物量碳、纖維素酶以及N3水平下的微生物量碳外)。與N處理相比，S處理的微生物量碳氮含量、酶活性顯著提高(p<0.05)，在N0，N1，N2水平下，S處理的微生物量碳含量分別是N處理微生物量碳含量的4.93，4.85，3.91倍。同一種有機物料添加下，各處理微生物量碳氮含量、土壤酶活性隨施氮量的增加出現(xiàn)先提高后降低的趨勢(除了N處理的過氧化氫酶、B處理的脲酶、S處理的過氧化氫酶、脲酶外)，其中N2水平的微生物量氮提高最顯著(p<0.05)。

2.4　有機碳礦化量、有機碳、氮、微生物性質(zhì)相關(guān)分析

土壤碳礦化與土壤含有的有機碳、氮含量及土壤微生物存在密切關(guān)系。有機碳礦化反映土壤中碳、氮含量變化及微生物活性質(zhì)，而土壤碳、氮含量及微生物性質(zhì)決定土壤有機碳礦化的過程[18]。表2所示土壤有機碳累積量、平均礦化速率、碳、氮、微生物量碳、氮及酶活性間相關(guān)關(guān)系。土壤碳累積礦化量、平均礦化速率與有機碳、全氮、微生物量碳、氮、酶(脲酶除外)活均關(guān)系極顯著(p<0.01)，其中有機碳累積礦化量與纖維素酶相關(guān)關(guān)系最高為0.857，而平均礦化速率與微生物量碳、氮相關(guān)關(guān)系最高。土壤有機碳、氮與土壤微生物性質(zhì)同樣呈極顯著關(guān)系(p<0.01)。

表1　枝條、秸稈配施氮肥處理下土壤碳、氮、微生物量及酶活性

表2　碳積累量與碳、氮、微生物量碳、氮及酶活性的相關(guān)關(guān)系

表3　秸稈、枝條配施氮肥雙因素方差分析

注：n=36。

3　討 論

在本試驗105 d的培養(yǎng)過程中。土壤有機碳礦化規(guī)律表現(xiàn)為:在培養(yǎng)初期(第1天)土壤的礦化作用最強，日礦化速率達到最大值，之后隨著時間的延長礦化速率降低至穩(wěn)定的狀態(tài)，在前30 d各處理有機碳累積礦化量占整個培養(yǎng)期有機碳累積礦化量的57.97%～69.09%(N)，62.22%～71.04%(B)，58.28%～72.30%(S)，這與艾麗等[18]、王義祥等[19]、馬昕昕等[20]等的研究結(jié)果相一致。前期土壤和有機物料中易分解組分會快速分解，使得大量養(yǎng)分迅速釋放，提高了土壤中微生物活性，使得土壤中有機碳的礦化速率和礦化量迅速提高和增加，隨培養(yǎng)時間的延長，在土壤及有機物料中的易分解組分被利用完后，微生物開始轉(zhuǎn)向分解較難分解的組分，礦化速率隨之減緩，有機碳分解量隨之下降[21]。本試驗同一施氮水平下，相對N處理，B處理、S處理礦化速率及有機碳積累量較高，整體呈S>B>N趨勢，S處理的礦化速率及碳累積礦化量在N3水平顯著高于N處理的礦化速率與礦化量(p<0.05)，這說明秸稈中的易分解成分較高。B處理的有機碳礦化量較S處理有機碳礦化量低，分析可能是短期內(nèi)分解枝條的微生物群落并沒有大量繁殖，也可能是枝條含有較多的木質(zhì)素和其他難分解成分造成碳素釋放較秸稈低,對微生物分解礦化有機碳的激發(fā)作用較小[22-23]。

氮肥添加對于土壤有機碳礦化的影響目前有諸多爭議。Neff等[24]研究在添加氮肥后土壤有機碳礦化速率顯著提高。Ji[25]等研究認為，氮添加能夠促進植物生長和凋落物的分解，進而增加土壤碳礦化。莫江明[14]則認為添加氮肥后降低了土壤有機碳的礦化。Schimel等[26]的研究則表明添加氮素對土壤有機碳礦化沒有影響，并分析是因為土壤有機碳礦化受胞外酶以及動力學(xué)影響。在本試驗中，在同一種有機物料添加下，N處理隨著氮肥水平的增加礦化量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中最高的N2處理是最低的N3的1.46倍。對于B，S的處理來說，都出現(xiàn)了隨著氮水平的增加碳礦化量呈現(xiàn)提高的趨勢，最高的N3處理是分別是最低的N0處理的1.74倍、2.29倍。表明氮肥的添加對于有機碳的礦化有促進作用，分析可能是外源氮源的添加使得原來受氮素營養(yǎng)限制的微生物的活性增強以及其群落的改變[27]。同時發(fā)現(xiàn)在低氮水平下添加有機物料對土壤有機碳礦化并沒有顯著影響。分析可能是低氮水平的添加能夠促進土壤微生物內(nèi)部的代謝過程[28]。分析圖3則發(fā)現(xiàn)氮素的添加會顯著提高土壤有機碳礦化的速率(p<0.05)，而添加秸稈或枝條則對有機碳礦化無顯著的提高。說明對于沙化土中的分解有機碳的微生物，氮素是主要的限制因子，氮素的添加會促進土壤微生物的活性與數(shù)量從而提高了有機碳的礦化速率。N和B，S處理隨著氮素水平的提高出現(xiàn)了不同的趨勢。分析可能是有機物料本身性質(zhì)影響，秸稈分解釋放的碳、氮素較多，而枝條釋放的碳、氮素則較低，同時對于不添加處理其會消耗土壤中原有的有機質(zhì)短期內(nèi)會促進有機碳的釋放，而長期則會降低土壤有機碳的礦化速率，這些都會對有機碳礦化產(chǎn)生影響。

本試驗在添加氮肥配施有機物料的情況下，土壤中的微生物量碳、氮以及酶活性隨著有機物料的添加以及氮水平得到提高呈現(xiàn)不斷增加或著呈現(xiàn)先增加在降低的趨勢(N1，N2水平的脲酶除外)。說明了有機物料及氮肥的添加會促進土壤中碳、氮庫、源的改變，營養(yǎng)元素含量及組分的變化以及物料添加到土壤中對微生物生存環(huán)境的改善都會影響微生物對土壤有機碳的分解礦化。而對微生物量碳、氮酶活性與有機碳累積礦化量的相關(guān)分析研究發(fā)現(xiàn)纖維素酶與累積礦化量的相關(guān)關(guān)系最為顯著，也說明了微生物分解有機物料在有機碳礦化過程中發(fā)揮著重要的作用，同時進行的方差分析(表3)表明有機物料添加和氮肥的添加以及他們的互作作用整體上對沙化土壤碳、氮、礦化速率、土壤有機碳累積礦化量、微生物性質(zhì)有極顯著的影響(F>F0.01)。

4　結(jié) 論

各處理均在第一天出現(xiàn)了礦化速率的最大值，之后隨著培養(yǎng)時間的增加礦化速率不同程度的降低。到第3 d時下降了72.47%～96.54%(N)，55.58%～63.43%(B)，65.92%～75.38%(S)。各類處理有機碳累積礦化量為0.65～0.88 g/kg (N)，0.58～0.99 g/kg(B)，0.63～1.44 g/kg(S)。

同一氮水平下各處理碳礦化量、微生物性質(zhì)呈S>B>N。同一種有機物料添加處理下，各處理礦化量及微生物性質(zhì)整體上隨施氮水平提高呈先增加后降低或提高的趨勢(不添加類的微生物量氮、脲酶除外)。土壤碳累積量、礦化速率與土壤碳、氮、微生物量碳、酶活均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)(p<0.01)。有機物料添加和氮肥添加以及他們互作總體上對有機碳的礦化速率、礦化量有極顯著影響(F>F0.01)?？傮w來看添加有機物料以及氮肥隨沙化土壤碳礦化有促進作用，其中SN3處理效果較其他處理好。

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1.1一般資料2014年4月至2016年4月我院對83例焦慮癥患者開展了分析研究,將患者分成了實驗組42例,參照組41例,實驗組有14例男性和28例女性,最小22歲,最大45歲,平均(29.81±5.33)歲;參照組有15例男性,26例女性,最小22歲,最大47歲,平均(30.12±5.67)歲。兩組的普通資料對比不存在統(tǒng)計學(xué)差異性,能夠進行比較分析。

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