复垦年限和模式对矿区土壤有机氮组分氮转化及微生物多样性的影响

论文摘要

氮素与生态系统的稳定发展密切相关,科学合理的复垦工作可以有效的改善矿区土壤的质量。本文以中国最大的露天煤矿-平朔安太堡露天煤矿为研究区域,采集复垦3年、9年、21年苜蓿地及3年荞麦地060 cm土壤,并以3年自然恢复地和未复垦新排土为对照,探究矿区复垦土壤中不同复垦模式、不同复垦年限下土壤有机氮组分变化及氮素转换的规律,旨在为安太堡露天煤矿的土地复垦及复垦土壤合理利用提供依据。研究结果显示:（1）土壤剖面的全氮含量随土层深度的增加而下降,至4060cm后趋于稳定;同层次,不同复垦年限下的土壤随复垦年限的增加全氮含量呈上升趋势;土壤酸解总氮、酸解铵态氮和氨基糖的含量整体上呈现随复垦时间增加而递增、剖面由上至下递减的变化。各个氮组分占全氮的平均比例大小关系为:未酸解氮>酸解铵态氮>氨基酸态氮/酸解未知氮>氨基糖氮。酸解铵态氮和氨基酸态氮是安太堡矿区复垦土壤中重要的有机氮形态。对于不同复垦模式下的土壤,除了未酸解氮外,苜蓿地（草地）土壤各有机氮组分较同层次荞麦地（耕地）土壤高,020cm的土层更为明显;并且有机氮组分（除未酸解氮外）与有机质和全氮呈现显著或不显著的正相关关系。（2）长期的苜蓿复垦显著提高了010cm土层中过氧化氢酶、蔗糖酶与蛋白酶的活性;脲酶活性的提高较多的表现在1020cm,对其余剖面也有积极的影响。对于L-天冬酰胺酶和L-谷氨酰胺酶,多年的苜蓿种植使010cm酶活性提高,但是10cm以下的变化规律不明显。由相关性分析与冗余分析可知,对氮组分的贡献率排序为蔗糖酶>L-谷氨酰胺酶>过氧化氢酶>蛋白酶>脲酶>L-天冬酰胺酶;过氧化氢酶对全氮与酸解总氮影响最大。蔗糖酶对酸解铵态氮、氨基糖氮、氨基酸态氮组分的影响较大。酸解未知氮与脲酶显著相关,未酸解氮与所测6种酶没有达到显著相关性。（3）经土壤高通量测序（16S rDNA）及细菌群落Alpha多样性分析得出,21年苜蓿地土壤细菌丰富度指数与多样性指数最高,3年自然恢复地最低;草地复垦模式下的土壤细菌丰富度指数与多样性指数显著高于耕地模式下的土壤。与不同复垦年限与模式下酶活性的变化规律基本一致。其中,在门类水平下,变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、浮霉菌门、酸杆菌门和拟杆菌门是复垦区土壤细菌的优势门类,并且对复垦时间、模式变化的响应较为明显。在所测全部地块中,变形菌门菌群所占比例在30%40%之间,较为稳定;草地复垦模式较耕地模式的土壤中放线菌门、浮霉菌门和酸杆菌门菌群的比例得到大幅度提升,厚壁菌门菌群的比例显著下降。（4）采用间歇淋洗好气培养法与恒温培养法研究各采样地土壤矿化与硝化过程,利用一级反应动力学模型与Logistic方程对有机氮素的矿化、硝化数据进行拟合。发现,3年苜蓿地的矿化速率最高,21年苜蓿地的矿化速率最低。经一级动力学方程拟合可知,氮矿化势（No）的变化范围为89.28124.51 mg?kg-1,21年苜蓿地（AL21）>3年自然恢复地（NRL3）>3年苜蓿地（AL3）>3年荞麦地（BL3）>未复垦新排土（CK）>9年苜蓿地（AL9）;矿化速率常数（k）的变化范围为0.022 60.051 9,AL3>AL9>CK>NRL3>BL3>AL21。氮矿化势与土壤有机质含量显著正相关（r=0.91）。长期的苜蓿复垦显著提高了土壤的氮库容量,矿化过程更为平稳。（5）复垦区各土壤随培养时间的延长硝态氮含量大致为“S”型曲线且可分为3个阶段:前期阶段（05d）-上升阶段（514 d）-稳定阶段（1428 d）;Logistic方程拟合结果显示:复垦年限显著影响硝化高峰出现的时间（不同复垦年限苜蓿地最大相差6.85 d）,21年苜蓿地硝化过程剧烈而短促,3年自然恢复地的硝化过程缓慢而漫长;耕地较草地有更大的硝化速率与更长的硝化时间。经通径分析可知,氮矿化势与C/N、氨基糖氮和L-天冬酰胺酶呈现极显著或显著正相关关系,C/N对土壤矿化势的直接影响作用最为明显;氨基糖氮和L-天冬酰胺酶对土壤矿化势的增加具有重要作用。pH和非酸解性氮与土壤净硝化率呈正相关关系,pH对土壤净硝化率的直接影响作用更为明显,非酸解性氮通过pH对土壤净硝化率的间接作用更明显。综上可知,在安太堡露天煤矿的复垦土壤中,草地和耕地的模式对于土壤固氮和肥力的提升均有一定的效果,特别是在长期苜蓿种植（草地模式）的020cm土层,显著提高了酸解性铵态氮、氨基糖氮、酸解未知氮的含量,酶活性和细菌群落的多样性,提高了土壤氮库容量,土壤质量得到改善和提高。

论文目录

• 摘要
• 1 前言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外相关研究进展
•     1.2.1 土壤氮素来源及存在形态
•     1.2.2 土壤有机氮分组及其变化特征
•     1.2.3 土壤有机氮矿化过程
•     1.2.4 土壤硝化过程
•     1.2.5 土壤微生物及氮素转化相关酶
•   1.3 研究目的与技术路线
• 2 试验材料与方法
•   2.1 研究区概况
•   2.2 工程概况
•   2.3 样品采集与处理
•   2.4 试验培养方法
•   2.5 分析项目及测定方法
•     2.5.1 土壤有机氮组分
•     2.5.2 土壤酶的测定
•     2.5.3 土壤基本理化性状的测定
•   2.6 数据分析
• 3 结果与分析
•   3.1 不同复垦年限及模式下土壤剖面化学性质变化特征
•   3.2 不同复垦年限及模式下土壤有机氮组分特征分析
•     3.2.1 不同复垦年限及模式下土壤有机氮组分剖面变化特征
•     3.2.2 不同复垦年限及模式下土壤有机氮组分分布比例
•     3.2.3 土壤有机氮组分与土壤生物化学性质冗余分析
•   3.3 不同复垦年限及模式下土壤酶活性变化特征
•     3.3.1 土壤剖面酶活性变化特征
•     3.3.2 土壤酶活性与土壤化学性质的冗余分析
•   3.4 16SRDNA高变区测序分析
•     3.4.1 土壤高通量测序数据及细菌群落Alpha多样性分析
•     3.4.2 不同复垦土壤细菌群落组成分析
•     3.4.3 土壤优势菌群与土壤化学性质的相关分析
•   3.5 不同复垦年限及模式下土壤氮素矿化特征
•     3.5.1 土壤氮素矿化速率
•     3.5.2 土壤氮素矿化模型拟合
•   3.6 不同复垦年限及模式下土壤硝化特征
•     3.6.1 土壤净硝化率
•     3.6.2 土壤氮素硝化特征函数
•     3.6.3 土壤矿化、硝化特征指标与土壤化学性质的冗余分析
•   3.7 土壤矿化、硝化指标的通径分析
•     3.7.1 土壤矿化指标与化学性质、有机氮组分和酶活性的通径分析
•     3.7.2 土壤硝化指标与化学性质、有机氮组分和酶活性的通径分析
• 4 讨论
• 5 结论
• 参考文献
• Abstract
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 江山

导师: 王改玲

关键词: 有机氮组分,矿化,硝化,一级反应动力学模型,模型,高变区测序

来源: 山西农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学

单位: 山西农业大学

分类号: S153.6;S154.3

DOI: 10.27285/d.cnki.gsxnu.2019.000224

总页数: 59

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