《不同管理措施下陇中黄土高原旱作农田土壤生态化学计量学特征农学研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不同管理措施下陇中黄土高原旱作农田土壤生态化学计量学特征农学研究.docx（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、不同管理措施下陇中黄土高原旱作农田土壤生态化学计量学特征农学研究前言碳、氮、磷三种元素在生态系统中的循环途径以及影响因素一直是生态学研究的重点、热点1-4。生态系统中每个有机体都是由不同元素组成的，C、N、P三种元素不仅在维持有机体生命过程中发挥着至关重要的作用5，各元素间也存在较强的耦合关系6。氮和磷是所有生物所需的基本营养元素，也是各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素，为生物的生长和繁衍提供重要保障；而碳则是生物进行生长和繁殖时的各种生理、生化过程的重要底物和能量来源7。在自然界所有元素中，碳代表了地球上所有生命形式的通用媒介，许多元素之间的交互作用都是通过碳与其它养分的比值关系来进行调节的
2、8，同时，作为生态系统中重要能源物质和生理、生化反应底物的碳元素与营养元素氮、磷之间的比值差异能够调控生态系统中有机物质的去处，影响生物圈中碳的消耗或固定过程9。因此，在生态系统中，氮、磷循环的改变将直接影响到碳的循环过程10-11，碳、氮、磷三个元素间关系极为密切。生态化学计量学作为新兴的一个生态学研究领域，已成为生态学与生物化学、土壤化学研究领域的新方向，为土壤碳、氮、磷循环的研究提供了新思路1-2。生态化学计量学是研究生物系统能量平衡和多重化学元素平衡的科学，它结合了生物学、化学和物理学等基本原理，是分析生态交互作用过程中多种元素间的质量关系及其动态平衡的一种理论3,12。也融合了生态学
3、和化学计量学当中的基本原理，同时包含了热力学的第一定律、生物进化的自然选择规律及生物学的中心法则，是研究生物所需元素、影响生态系统生产力机制、养分循环及食物网动态的各种元素之间多重平衡的一种新方法，也是研究生态系统的能量平衡、多重化学元素（主要为 C、N、P）平衡及元素平衡对生态交互作用影响的一种理论9,13。因此，对陆地生态系统 C、N、P 生态化学计量特征和耦合机制的研究将有助于揭示碳、氮、磷三种元素间的相互作用及平衡制约关系14，深入了解土壤养分的可获得性与限制性15、植物与微生物营养状况以及农田生态系统碳循环、固碳潜力及速率等具有重要的现实意义。自生态化学计量学概念问世以来，受到了国内
4、外相关领域专家的高度关注，其关注度也只增不减。我国在生态化学计量学方面的研究虽然起步较晚，但近年来，尤其是 2012 年后，发展迅猛9。但其主要集中于森林、草原、湿地等生态系统16，且多倾向于对植物生态化学计量学的研究，土壤生态化学计量学虽然受到越来越多学者的关注，但是农田土壤生态化学计量学的研究较少，尤其是对于土壤微生物量碳、氮、磷和土壤生态酶化学计量特征的研究鲜见报道。黄土高原是我国水土流失最为严重、生态环境最为脆弱的地区之一17-18。目前，关于黄土高原的生态化学计量学研究较多，多集中于森林、草原等生态系统，而涉及农田生态系统的研究鲜见报道17。农田生态系统作为全球最活跃的碳、氮库之一，
5、在全球气候变化、粮食生产安全等方面发挥着至关重要的作用18-21。为了提升农田生产力，改善土壤肥力，通常借助于耕作措施、施肥等土壤管理措施实现，而土壤管理措施对土壤有机碳、氮、磷含量以及土壤微生物学特征的影响很大18,22-26。陇中黄土高原半干旱区干旱少雨，多年平均降水量不足 400mm，且雨热不同步27-28。受其气候因素、地理位置、地形地貌、土壤结构等因素的影响，已成为我国乃至世界生态环境最为脆弱的地区之一30-31。在生态环境脆弱、土壤贫瘠的该区，农田作物、土壤微生物的元素获得性都受到了一定的限制17,30-31。为了提升土壤肥力，促进作物增产，通过土壤管理措施对土壤环境进行改变时，土
6、壤碳氮磷、微生物量碳氮磷和生态酶活性化学计量学特征会如何变化？微生物量碳氮磷、生态酶活性化学计量学特征与土壤碳氮磷化学计量学特征间的关系是什么，是否具有内稳性？管理措施如何影响农田土壤碳氮磷、微生物量碳氮磷、生态酶活性化学计量学特征？.第一章 文献综述生态化学计量学（Ecological stoichiometry）是研究生物系统能量和化学元素（目前主要集中于碳、氮、磷）平衡的科学3，为研究元素在生物地球化学循环和生态过程中的计量关系和规律提供了一种综合方法9,12,14。对土壤生态化学计量特征和及其影响因素的研究有利于揭示碳、氮、磷三种元素间的相互作用及平衡制约关系14，察明土壤养分的可获得
7、性与限制性15、植物与微生物营养状况以及农田生态系统碳循环、固碳潜力及速率等。1.1 生态化学计量学研究进展20 世纪五十年代 Redfield（1958）发现海洋浮游生物具有特定碳、氮、磷组成规律以来，即海洋浮游生物的 C、N、P 摩尔比为 106:16:1，该比率被后人称为李德菲尔德比率（Redfield ratio），生态化学计量学的发展和最终确立主要围绕水生生态系统方面的研究中完成的12,14。自 Elser 等2提出生态化学计量学的概念后，国内外学者在验证不同生态系统是否存在恒定的生态化学计量学特征2、生态系统限制养分的判断32-33，以及 C:N:P 与生物生长率的关系等方面34开
8、展了大量的研究。有关陆地生态系统化学计量学方面的研究起步较晚，这可能是因为陆地生态系统生物地球化学循环的周转速率很慢，而且，陆地生态系统中富含各种难以分解的含 C 化学物质，以及影响 C、N、P 计量比值的因素较多，致使陆地生态系统比海洋生态系统更为复杂。因此，这一理论还需要在对陆地生物进行广泛研究的基础上得以最终验证和确立9。同时，化学计量和弹性的生态交互作用共同控制着生物对元素的需求和供应，而这两种作用的共存也是导致陆地生态系统复杂性的因素之一35。但近 10 年来国内外相关研究也取得了较大的发展7,15,18,36。我国在生态化学计量学方面的研究虽然起步晚，但是近年来，越来越多的国内学者
9、、专家开始着力于该领域的研究，研究热点多为元素循环、时间和空间分布特征等13。.1.2 不同管理措施对农田土壤、微生物量、生态酶活性化学计量特征的影响陆地生态系统生态化学计量学相关研究已逐渐成为生态学研究热点，且主要集中于森林、草原、湿地等生态系统，关于农田生态系统相关研究较少，同时大部分研究仅偏向于植物或者土壤生态化学计量学，而将土壤、微生物量、生态酶活性化学计量特征有机结合起来的研究文献却鲜有报道17。通过土壤管理方式对农田土壤元素进行调控后，其元素含量将发生改变，然而这种改变又将如何作用于土壤、微生物量、生态酶活性化学计量特征？若产生作用，如何作用？传统耕作措施通过对农田耕层土壤的翻耕、
10、扰动使得土壤变得松软，但同时也极大的破坏了土壤团聚体，削弱了团聚体对有机质的保护作用，使得大量的有机质暴露出来，加速了土壤微生物对土壤有机质的矿化腐解，致使土壤有机碳和全氮无效损耗提升，加剧了土壤温室气体的排放73-75。加之，收获后作物秸秆从农田的移出，使得土壤碳库得不到外源有机物料的补充，致使土壤有机碳显著降低27-28,30，而为了满足作物生长发育，对农田施用化肥，亦会进一步降低土壤C:N 和 C:P，加快了有机质的矿化。而以少免耕结合有机肥、秸秆还田的保护性耕作措施对土壤理化性质的改善非常明显31,76-78。Wardle 等79-80研究发现，免耕措施可提升土壤有机碳和氮素的积累。张
11、仁陟等31、蔡立群等28、武均等74研究指出保护性耕作可显著提高土壤有机碳、全氮、全磷的含量，免耕结合秸秆覆盖措施的效果最好。Zhang 等81在黄土高原研究指出，秸秆还田措施可显著提升土壤有机碳。朱文珊等82研究发现，施行保护性耕作 9 年后，免耕结合秸秆覆盖较翻耕结合秸秆还田农田 0-20cm 土层的土壤有机碳、全氮、全磷分别高出 16%、24%、9%，C:N 大幅增加。陆姣云等83对进行 10 年后的保护性耕作措施研究发现，较之传统耕作，保护性耕作会明显降低土壤 C:N，而免耕处理下的土壤 C:P、N:P 高于耕作处理的。.第三章 不同耕作措施下农田土壤生态化学计量学特征及其影响机制 .
12、183.1 不同耕作措施下土壤碳、氮、磷化学计量学特征.183.2 不同耕作措施下土壤微生物量碳、氮、磷化学计量学特征.243.3 不同耕作措施下土壤生态酶活性化学计量学特征.313.4 不同耕作措施下土壤、微生物量、生态酶活性化学计量学特征影响机制.403.5 小结.51第四章 生物质炭不同添加水平下土壤生态化学计量学特征及其影响机制 .524.1 生物质炭不同添加水平下土壤碳、氮、磷化学计量学特征.524.2 生物质炭不同添加水平下土壤微生物量碳、氮、磷化学计量学特征.564.3 生物质炭不同添加水平下土壤生态酶活性化学计量学特征.614.4 生物质炭不同添加水平下土壤、微生物量、生态酶活
13、性化学计量学特征影响机制.674.5 小结.77第五章 氮素不同添加水平下土壤生态化学计量学特征及其影响机制 .785.1 氮素不同添加水平下土壤碳、氮、磷化学计量学特征.785.2 氮素不同添加水平下土壤微生物量碳、氮、磷化学计量学特征.825.3 氮素不同添加水平下土壤生态酶活性化学计量学特征.875.4 氮素不同添加水平下土壤、微生物量、生态酶活性化学计量学特征影响机制.94第六章 讨论与结论6.1 讨论陟等29，Song 等107、罗珠珠和黄高宝89研究发现，免耕无秸秆覆盖或免耕结合秸秆覆盖可不同程度提升土壤有机碳、全氮、全磷含量，这与本研究结果一致。本研究发现，免耕无秸秆覆盖、传统耕
14、作+秸秆还田和免耕+秸秆覆盖可不同程度提升土壤有机碳、全氮、全磷含量，其中免耕+秸秆覆盖分别对 0-20cm 和 0-10cm土层的土壤有机碳和全氮、全磷提升效果最好。同时，免耕对土壤有机碳的提升效应仅在 0-20cm 各土层达到显著水平，对全氮、全磷的提升效应在 0-10cm 土层达到显著水平，而添加秸秆对 0-40cm 各土层土壤有机碳、全氮、全磷的提升效应均达到显著水平。这主要是由于：免耕可有效地避免因翻耕而引起的土壤团聚体破坏107-108，使得更多土壤有机质可以受到团聚体的物理保护74，降低其与土壤微生物的接触面，减缓了土壤有机质因微生物分解而引起的损失，进而减少土壤有机碳和全氮的无
15、效损失；作为外源有机物而被引入土壤的秸秆，其含有大量的有机碳和一定量的氮素与磷素，不仅可以有效弥补因翻耕而引起的土壤有机质输入和降解之间的不平衡，还可以为土壤中补充较多的有机碳和一定量的氮、磷素；秸秆还田和免耕可降低土壤温室气体的排放28，其可有效降低土壤有机碳和全氮的无效损失。本研究发现，生物质炭添加可增加土壤有机碳含量，且土壤有机碳含量随生物质炭添加量的增加而增加，这与其其本身含有大量的惰性有机碳，难以被分解、利用有关。Van 等109研究发现添加生物质炭可提升土壤有机碳含量。Kuzyakov等110通过同位素标记发现添加生物质炭两个月后，仅有 2.0%左右的生物质炭被分解。Pietika
16、inen 等111通过不同材料的对比试验发现生物质炭对可溶性有机碳具有显著吸附作用，可以明显降低可溶性有机碳的迁移。本研究还发现，添加生物质炭对 0-20cm 土层的土壤全氮、全磷含量具有显著提升效果，且 B30 对土壤全氮的提升效果最好，B40 对土壤全磷的提升效果最好而 B30 和 B40 间差异较小。 / .结论1.土壤生态化学计量学特征对管理措施的响应方式不同。（1）耕作管理模式下，添加秸秆对土壤和微生物量碳氮比、碳磷比以及生态酶活性化学计量学特征的提升效应最高。（2）生物质炭添加处理下，在 0-20cm 土层，B50 水平下土壤 C:N、C:P 最高；B30 水平对土壤微生物量、生态
17、酶活性化学计量学特征的提升效果最优。（3）氮素不同添加水平下，N0 水平下土壤 C:N 最高，土壤 N:P 为 N157.5 水平下的最高，而 N105 水平下土壤 C:P、土壤微生物量 C:N 和 C:P、(NAG+LAP):AP最高。2.微生物量、生态酶活性化学计量比对土壤化学计量比的变化具有不同程度的响应。耕作管理模式下，添加秸秆和无秸秆添加下土壤微生物量、生态酶活性化学计量比随土壤化学计量比的变化呈比例型变化（除无秸秆添加下微生物量氮磷比），符合Constant propotional;模型。生物质炭添加管理模式下 MBN:MBP、βG:AP 和(NAG+LAP):AP 符合Constant propotional;模型，而 MBC:MBN、MBC:MBP 和 βG:(NAG+LAP)则具有一定的约束比例，同时也受土壤化学计量比的影响。氮素添加管理模式下，MBC:MBN、βG:(NAG+LAP)和 βG:AP 符合Constant propotional;模型，而 MBC:MBP、MBN:MBP 和(NAG+LAP):AP 则具有一定的约束比例，同时也受土壤化学计量比的影响。.参考文献（略）