土壤碳、氮循環(huán)對全球環(huán)境因子變化的響應

【摘要】：在全球氣候和環(huán)境變化的大背景下，深入研究和探討土壤有機碳動態(tài)對一些重要因素改變的響應——如，溫度的升高、N沉積的增加以及土地利用的變化是當前生態(tài)學重要的研究內(nèi)容和關注焦點之一。本論文重點研究了土地利用類型、氣候變暖和N沉積對土壤C、N循環(huán)的影響。 由于可溶性土壤有機碳（DOC）的質(zhì)量和數(shù)量可以作為土壤擾動的指示性指標，我們首先研究了土地利用類型（天然林地、草地和耕作用地）對DOC的數(shù)量和質(zhì)量的影響。取樣地點分別在具有相似氣候的加拿大西部的阿爾伯塔和中國東北的黑龍江省。研究內(nèi)容包括：可提取性DOC；DOC的紫外光吸收和腐殖質(zhì)系數(shù)（HIX）；DOC的生物可降解性。此外，我們采用了固體13C核磁共振波譜儀分析測定了土壤有機質(zhì)的化學結構，闡釋了DOC的生物可降解性與土壤有機質(zhì)化學結構之間的關系。研究發(fā)現(xiàn)加拿大與中國樣地土壤DOC的紫外光吸收、HIX、生物可降解性以及土壤有機物質(zhì)的化學組成在各個土地利用類型之間沒有顯著的不同。當把所有樣地的土壤樣品當做一個大樣本分析時發(fā)現(xiàn)，DOC的可提取性與土壤有機碳的含量、羰基-C負相關，與氧烷基-C正相關；DOC的生物可降解性與土壤的C/N比正相關，與紫外光吸收和HIX負相關。表明土地利用類型對土壤有機物質(zhì)的影響主要是在含量而不是活性碳的性質(zhì)或是有機物質(zhì)的化學組成，進而說明氣候?qū)@兩個寒溫帶地區(qū)不同土地利用類型下可溶性碳和有機碳的性質(zhì)起決定作用。 其次，我們研究了氣溫變暖，N沉積和土地利用變化及其交互作用對生態(tài)系統(tǒng)土壤C、N循環(huán)的影響，旨在揭示和探明溫度、N沉積、N形態(tài)、土地利用類型以及這些因素的相互作用對土壤C、N礦化作用的機制和過程。重點通過室內(nèi)原狀土柱培養(yǎng)實驗，分析在不同的土地利用類型（森林和草地）下，溫度（15°C vs.25°C）、N形態(tài)（NH4-N vs. NO3-N）和沉積對土壤CO2釋放、可溶性有機碳（DOC）、可溶性有機氮（DON）、可溶性無機氮（DIN）產(chǎn)生的影響。結果表明：溫度和土地利用類型影響土壤CO2的釋放以及DOC、DON和DIN的濃度。N及其N形態(tài)與溫度、土地利用類型間的相互作用對C、N循環(huán)指標沒有顯著的影響。溫度和土地利用類型是影響土壤C流失的兩個主要影響因素。相對于林地，草地土壤C更穩(wěn)定。短期內(nèi)N的沉積和形態(tài)對土壤C、N礦化的影響并不顯著，表明可能存在一個N的臨界值，只有超過這個臨界值才能產(chǎn)生影響，關于這一點還需要通過長期試驗才能進一步闡明N沉積對土壤C、N循環(huán)的影響，這也是今后研究的方向之一。 資料顯示，在過去的一個世紀中人類活動使N沉積在大多數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)中增加了一倍，而且這種趨勢在將來的幾十年內(nèi)有繼續(xù)增加的可能。N沉降是通過什么途徑影響土壤有機碳循環(huán)的，這也是需要探究的內(nèi)容之一。通過對比培養(yǎng)實驗，研究了土地利用類型下，NO3-和NH4+對微生物酶（木質(zhì)素分解酶和纖維素分解酶）活性的影響，以及對微生物功能結構的影響。結果表明，N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和多酚過氧化酶在森林土壤中有著較高的活性，而在草地土壤中相對較低，即在森林土壤中N的施加增加了纖維素二糖水解酶（CBH）的活性。AWCD和Shanon多樣性指數(shù)H’的分析結果均表明森林土壤具有更高的微生物功能多樣性。通過PCA分析兩個主成分可以解釋54%的底物利用的變異，在第一個主成成分中土地利用類型（森林和草地）有最大的負載值，在第二個主成成分中N有著最大的負載值。這一結論進一步證實土地利用轉換和N沉降主要是通過影響微生物和酶活性進而影響土壤C、N循環(huán)。 【關鍵詞】：土壤C、N 可溶性有機碳 土壤微生物酶 微生物多樣性
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S154.1
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-37
• 1.1 引言13-14
• 1.2 土壤有機碳、氮循環(huán)過程14-20
• 1.2.1 土壤有機碳循環(huán)14-16
• 1.2.2 土壤氮循環(huán)16-20
• 1.3 影響土壤有機碳庫的因素20-24
• 1.3.1 氣候條件對土壤有機碳庫的影響20-22
• 1.3.2 土地利用變化對土壤有機碳庫的影響22-24
• 1.4 土壤有機碳的降解及其影響因素24-30
• 1.4.1 土壤有機碳的降解24-26
• 1.4.2 影響土壤有機碳降解的因素26-30
• 1.5 研究進展30-35
• 1.6 本文的研究內(nèi)容35-37
• 第二章 加拿大與中國不同土地利用系統(tǒng)中可溶性碳性質(zhì)和數(shù)量的相似性37-52
• 2.1 引言37-38
• 2.2 研究材料和方法38-42
• 2.2.1 選取樣地和土樣采集38-39
• 2.2.2 土壤有機碳和全氮的測定以及 DOC 的提取39
• 2.2.3 DOC 的芳香性和腐殖質(zhì)系數(shù)的測定39-41
• 2.2.4 DOC 的生物降解性41
• 2.2.5 熱水可溶性碳及多糖和酚的測定41
• 2.2.6 固體13C 核磁共振(NMR)分析41-42
• 2.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析42
• 2.3 結果42-48
• 2.3.1 在不同土地利用類型下 DOC 的濃度和可提取性42-44
• 2.3.2 在不同土地利用類型中 DOC 的光學性質(zhì)及生物可降解性44
• 2.3.3 熱水可溶性碳及其多糖與酚的含量44-46
• 2.3.4 ~(13)C- NMR 圖譜46-48
• 2.3.5 DOC 與土壤有機碳性質(zhì)之間的相關性48
• 2.4 討論48-51
• 2.5 結論51-52
• 第三章 森林與草地生態(tài)系統(tǒng)中溫度、N 沉積和 N 形態(tài)對土壤有機碳礦化和 DOM 產(chǎn)生的影響52-66
• 3.1 引言52-53
• 3.2 研究材料和方法53-55
• 3.2.1 試驗樣地53-54
• 3.2.2 土壤柱的采集和培養(yǎng)54
• 3.2.3 土壤 CO2通量54-55
• 3.2.4 土壤淋洗液的化學性質(zhì)55
• 3.2.5 溫度敏感性的計算55
• 3.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計55
• 3.3 結果55-63
• 3.3.1 土壤 CO2釋放和 DOC的產(chǎn)生55-59
• 3.3.2 DON59-60
• 3.3.3 NH4-N 和 NO3-N60-61
• 3.3.4 土壤淋溶的化學性質(zhì)61-63
• 3.4 討論63-65
• 3.4.1 溫度和土地利用類型對土壤 C 的影響63-64
• 3.4.2 培養(yǎng)溫度和土地利用類型對土壤 N 的影響64-65
• 3.5 結論65-66
• 第四章 不同土地利用類型中土壤碳循環(huán)和微生物活性對 NO3-和 NH4+沉積的響應66-80
• 4.1 引言66-67
• 4.2 研究材料和方法67-70
• 4.2.1 采樣地點67
• 4.2.2 土壤柱的采集和培養(yǎng)67-68
• 4.2.3 土壤酶的測定68-70
• 4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計70
• 4.4 結果70-77
• 4.4.1 土壤 C、N 的釋放70-72
• 4.4.2 土壤酶活性72-73
• 4.4.3 土地利用類型、N 對微生物多樣性的影響73-77
• 4.5 討論77-79
• 4.5.1 N 和土地利用類型對土壤 C 循環(huán)的影響77
• 4.5.2 微生物對土壤 C 利用的改變77-78
• 4.5.3 土地利用類型和 N 對微生物種群功能的影響78-79
• 4.6 結論79-80
• 第五章 結論與展望80-83
• 5.1 研究結論80-81
• 5.2 展望81-83
• 參考文獻83-96
• 致謝96-97
• 作者簡介97

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