作物—牧草轮作系统中草地土壤碳蓄积动态及其微生物群落结构与功能变化机制

论文摘要

全球变化影响人类经济社会和生态可持续发展,土壤是地球上最大的陆地碳汇,增加碳在土壤中的固存量有助于减缓气候变化。土地利用和管理变化是影响土壤碳蓄积或释放的重要因素,作物和牧草轮作是全球温带地区可持续农业主要的土地利用策略。作物-牧草轮作系统中,草地阶段可有效缓解由于前期耕作造成的土壤质量下降,改善土壤物理化学和生物学性状,提高土壤碳蓄积。深入解析草地轮作阶段土壤碳库变化动态及其机制,是全面理解和调控可持续农业生产应对全球变化的关键。以美国中东部地区有机农牧场3年低投入蔬菜生产后的5年放牧草地轮作土壤为研究对象,分析15年轮作草地土壤不同组分有机碳、氮含量、碳矿化、微生物群落结构与功能、基本理化性状变化及其季节动态,探究土壤碳固存的主要影响因素及微生物作用机制。取得了以下主要研究结果:1、颗粒有机质敏感指示土壤有机质变化动态,随着草地生长年限的增加,土壤有机质逐渐积累,且主要由颗粒有机质占比的提高引起;轮作草地土壤各组分有机碳逐渐增加,轮作5年土壤有机碳（SOC）含量增加了20.6%,且接近永久性草地,颗粒有机碳（POC）和非颗粒有机碳（n-POC）含量分别增加了53.5%和17.6%;有机氮含量变化规律与碳相同,氮的累积有助于有机碳稳定性的提高。2、土壤碳矿化率随培养时间的增加逐渐降低,培养初期下降幅度较大,中后期缓慢下降并趋于稳定;草地轮作4年后土壤碳矿化率显著升高,并接近永久性草地水平,秋季草地土壤碳矿化速率低于春季、夏季和冬季;草地轮作增强了土壤碳矿化潜力,提高了土壤碳循环强度和有机碳有效性,同时延长了SOC半衰期,提高了土壤碳库稳定性。3、随着草地轮作年限的延长,土壤中活体微生物的脂肪酸多样性提高,革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌脂肪酸的比例逐渐降低,真菌与细菌脂肪酸比例升高,微生物生物量增加,草地轮作4年后土壤微生物群落结构发生显著改变且趋近于永久性草地,土壤碳矿化和颗粒有机质含量变化是驱动土壤微生物群落结构分异的主要环境因子,轮作草地土壤微生物群落变化影响土壤有机碳有效性和固存能力,季节间微生物群落结构的差异造成碳矿化潜力变化。4、草地轮作5年土壤有机碳库储量增加、稳定性提高,土壤物理、化学和生物学性状密切关联协同变化,其中与SOC含量关联度较高的影响因子依次为:土壤细菌、微生物总生物量、放线菌、容重、砂粒占比、颗粒有机质、有效磷、真菌、碳矿化量。土壤物理结构、化学成分和微生物群落变化对碳库稳定性具有不同强度的直接或间接作用,非颗粒有机质的积累和真菌微生物的增加与土壤有机碳稳定性的提高显著相关。上述结果初步揭示了草地轮作对土壤有机碳库的动态影响过程及相关机制,但土壤有机碳固定和稳定的本质及确切作用路径有待进一步深入研究。

论文目录

• 摘要
• Summary
• 缩略词表
• 前言
• 第一章 文献综述
•   1.1 草地土壤碳蓄积
•     1.1.1 土壤碳固存与土地利用/覆被变化
•     1.1.2 草地轮作对土壤碳库的影响
•     1.1.3 土壤有机质和有机碳分组
•   1.2 草地土壤有机碳矿化与理化性状变化
•     1.2.1 矿化对草地土壤碳固存的影响
•     1.2.2 土地利用方式对土壤理化性状的影响
•   1.3 草地土壤微生物群落
•     1.3.1 草地土壤微生物动态
•     1.3.2 土壤微生物检测及群落结构分析技术
•     1.3.3 微生物及环境因素对草地土壤碳固存的影响
•   1.4 研究目的与技术路线
•     1.4.1 研究目的
•     1.4.2 技术路线
• 第二章 轮作草地土壤理化性状变化
•   2.1 试验设计与方法
•     2.1.1 研究区概况
•     2.1.2 试验设计
•     2.1.3 土壤理化性状测定方法
•     2.1.4 数据统计分析
•   2.2 结果与分析
•     2.2.1 轮作草地土壤基本理化性质变化
•     2.2.2 轮作草地土壤营养元素含量变化
•     2.2.3 轮作草地土壤阳离子交换量变化
•     2.2.4 土壤基本理化性质间的相关性分析
•   2.3 讨论
•     2.3.1 草地轮作对土壤理化性状的影响
•     2.3.2 土壤理化性状间的耦合关系
•   2.4 小结
• 第三章 轮作草地土壤碳储量变化
•   3.1 试验方法与数据统计
•     3.1.1 颗粒有机质分离提取方法
•     3.1.2 数据统计分析
•   3.2 结果与分析
•     3.2.1 不同年限草地土壤有机质变化动态
•     3.2.2 不同年限草地SOC储量变化
•     3.2.3 不同年限草地土壤POC/n-POC含量动态
•   3.3 讨论
•     3.3.1 轮作草地SOC储量逐年积累
•     3.3.2 POC敏感指示轮作草地土壤碳固存增量
•     3.3.3 草地轮作第2年土壤有机质含量激增
•   3.4 小结
• 第四章 轮作草地土壤氮动态
•   4.1 试验方法与数据统计
•     4.1.1 试验方法
•     4.1.2 数据统计分析
•   4.2 结果与分析
•     4.2.1 不同轮作年限草地土壤氮含量变化
•     4.2.2 轮作草地土壤PON和 n-PON含量变化
•     4.2.3 轮作草地土壤C/N变化动态
•   4.3 讨论
•     4.3.1 草地轮作年限对土壤氮含量的影响
•     4.3.2 轮作草地土壤氮对碳蓄积的影响
•   4.4 小结
• 第五章 轮作草地土壤碳矿化
•   5.1 试验方法与数据统计
•     5.1.1 碳矿化分析（CMA）
•     5.1.2 数据统计分析
•   5.2 结果与分析
•     5.2.1 不同轮作年限草地土壤潜在碳矿化动态
•     5.2.2 轮作草地土壤潜在碳矿化季节动态
•     5.2.3 轮作草地SOC潜在累计矿化量变化
•   5.3 讨论
•     5.3.1 草地轮作对土壤碳矿化的影响
•     5.3.2 矿化对土壤碳库稳定性的影响
•   5.4 小结
• 第六章 轮作草地土壤微生物群落结构与功能变化
•   6.1 试验方法与数据统计
•     6.1.1 高通量磷脂脂肪酸（PLFA）分析
•     6.1.2 FAME标志物的鉴定
•     6.1.3 数据统计分析
•   6.2 结果与分析
•     6.2.1 轮作草地土壤中FAMEs分布特征
•     6.2.2 轮作草地土壤微生物量变化
•     6.2.3 轮作草地土壤微生物群落结构分异
•     6.2.4 轮作草地土壤特定脂肪酸比例变化
•   6.3 讨论
•     6.3.1 草地轮作对土壤微生物脂肪酸的影响
•     6.3.2 草地轮作对土壤微生物量的影响
•     6.3.3 草地轮作对土壤微生物群落结构和功能的影响
•   6.4 小结
• 第七章 轮作草地土壤碳蓄积及其微生物作用机理
•   7.1 数据统计分析方法
•   7.2 结果与分析
•     7.2.1 土壤碳氮固定与矿化的关系
•     7.2.2 土壤碳蓄积与微生物群落的关系
•     7.2.3 土壤理化性状与碳蓄积的关系
•     7.2.4 轮作草地土壤碳固存的结构方程模型分析
•   7.3 讨论
•     7.3.1 环境因子对土壤碳蓄积的综合作用
•     7.3.2 轮作草地土壤有机碳稳定性机制
•   7.4 小结
• 第八章 结论与展望
•   8.1 主要研究结论
•   8.2 后续研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 个人简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 林栋

导师: 张德罡,Rebecca L.McCulley

关键词: 土壤固碳,微生物群落,颗粒有机质碳,碳矿化,轮作草地

来源: 甘肃农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,农艺学,农作物,农作物

单位: 甘肃农业大学

基金: 中国国家留学基金委联合培养博士研究生项目(No.201408620023),美国农业部食品与农业专项(No.2013-67019-21403),孵化项目(1010357)

分类号: S812.2;S344.1;S54

DOI: 10.27025/d.cnki.ggsnu.2019.000243

总页数: 99

文件大小: 2517k

下载量: 57