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添加蚯蚓对土壤腐殖质组成及胡敏酸结构特征的影响
吉林农业大学
学士学位论文
题目名称:
添加蚯蚓对土壤腐殖质组成及胡敏酸结构特征的影响
学生姓名:
胡宁
院系:
资源与环境专业年级:
资源环境科学2007级
指导教师:
张晋京职称:
副教授
2011年5月20日
目录
题目···········································································································································Ⅰ
摘要及关键词···························································································································Ⅰ
1前言·······································································································································1
2材料与方法···························································································································1
2.1田间试验设计···················································································································1
2.2土壤腐殖质组成分析········································································································2
2.3土壤胡敏酸制备及结构表征····························································································2
2.4统计分析····························································································································3
3结果与讨论···························································································································3
3.1土壤腐殖质组成················································································································3
3.2土壤胡敏酸的结构特征····································································································4
4结论·······································································································································5
参考文献···································································································································11
致谢···········································································································································15
添加蚯蚓对土壤腐殖质组成及胡敏酸结构特征的影响
姓名:
胡宁
专业:
资源环境科学
指导教师:
张晋京
摘要:
通过稻麦轮作试验,研究了添加蚯蚓对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响。
试验共分五个处理:
(1)玉米秸秆混施,不接种蚯蚓;
(2)玉米秸秆混施,接种蚯蚓;(3)玉米秸秆表施,不接种蚯蚓;(4)玉米秸秆表施,接种蚯蚓;(5)不施玉米秸秆也不接种蚯蚓(空白对照)。
与对照相比,接种蚯蚓与否均显著影响土壤腐殖质组成及胡敏酸结构。
玉米秸秆混施条件下,接种蚯蚓使胡敏酸/富里酸比值增加,胡敏酸中烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C比值增加而脂肪C/芳香C值降低;而在玉米秸秆表施情况下,上述比值变化不明显。
由此可见,玉米秸秆混施条件下,蚯蚓活动更有利于胡敏酸的形成,同时提高了胡敏酸的腐殖化程度和疏水性。
关键词:
蚯蚓;腐殖质组成;胡敏酸;13CCPMASNMR;玉米秸秆
Effectsofearthwormactivityonhumuscompositionandhumicacidcharacteristicsofsoilinamaizeresidueamendedrice-wheatrotationagroecosystem
Name:
HuNing
Major:
ResourceandEnvironmentScience
Tutor:
ZhangJinjing
Abstract:
Theeffectofearthwormsonhumuscompositionandhumicacid(HA)characteristicswasstudiedinarice-wheatrotationagroecosystem.Experimentalplotsintherotationhadfivetreatments,i.e.incorporationormulchingofmaizeresidueswithorwithoutaddedearthwormsandacontrol.Comparedwiththecontrol,theapplicationofmaizeresiduestosoileitheraloneorincombinationswithearthwormsstronglyaffectedthehumuscompositionandHAcharacteristics.Inthepresenceofearthworms,thecarbonratioofHAtofulvicacid(FA),andthealkylC/O-alkylCandhydrophobicC/hydrophilicCratiosofHAwereslightlyhigher,whilethealiphaticC/aromaticCratioofHAwasslightlylowerfollowingmaizeresidueincorporationthanthesametreatmentwithoutearthworms.Incontrast,theseratiosgenerallyremainedalmostconstantfollowingmaizeresiduemulching.Thus,earthwormactivityfollowingmaizeresidueincorporationwasmorefavorablefortheHAformation,andwasassociatedwithadecreaseinaliphaticityofHA,andanincreaseinitsdegreeofhumificationandhydrophobicity.
Keywords:
Earthworm;Metaphireguillelmi;Humuscomposition;Humicacid;13CCPMASNMR;Maizeresidue
1前言
腐殖质为二次合成反应形成的一系列相对分子量较大的黄色至黑色化合物[1]。
腐殖质在土壤肥力和生态环境方面起着极其重要的作用,它对土壤结构、结构稳定性、透水性,通气状况、保水性、生物活性、养分有效性、PH缓冲性、阳离子交换量、碳固定性、污染物交换能力等都有积极的作用[2~8]。
腐殖质的功能与它在土壤中的数量和质量密切相关。
许多生物和非生物因素,如温度,湿度,动物和微生物的活动,可以通过调节和控制有机质腐殖化过程影响腐殖质的数量和质量。
蚯蚓,这一主要的大型无脊椎动物群体被看作是温和土壤生态系统的工程师,它在自然土壤[9]和堆肥[9]有机质腐殖化的过程中发挥着至关重要的作用。
在农业生态系统中,作物秸秆是蚯蚓的食物之一,在农业生产实践中,添加作物秸秆是改善土壤质量和提高生产力的常用方法。
然而,目前没有数据用来定量、定性的说明在作物秸秆还田的农田生态系统中蚯蚓的活动对土壤腐殖质组分的影响。
胡敏酸是有机质中可提取的主要组成成分。
胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的含碳量比(HAC/FAC),是描述土壤有机质腐殖化程度的主要指标[10~12],组成胡敏酸的含碳官能团的相对比例能够反映土壤有机质形成过程中的腐殖化程度[13,14]。
这项研究的目的是评价在施用玉米秸秆的野外稻麦轮作长期计划性试验中蚯蚓对土壤腐殖质的组成和胡敏酸结构特征的影响。
之所以选择稻麦轮作方式是因为它是目前中国最常用的作物轮作方式[15]。
2材料与方法
2.1田间试验设计
试验田位于中国江苏省南京的南京农业大学(北纬32°03',东经118°47')。
试验田所在地区平均气温为16℃,年平均降雨量为1106mm。
试验土壤是来自长江的冲积物,中国土壤分类系统中被划分为潮土(旱耕潮土),在美国土壤分类系统中被划分为始成土。
在土层0-20cm取土壤样本(<2mm筛)用推荐的方法进行物理、化学性质的分析[16],结果如表2-1所示。
试验所用的玉米秸秆(<2cm)每千克含N7.96g,含P2.85g,含K10.7g,C/N为65.8。
威廉腔环蚓(单向蚓目:
巨蚓科)是上食下居型蚯蚓,尽管它们通常夜间在土壤中垂直掘穴下降至矿质层,但是它们却以土壤表层物质为食[17],是研究土壤的优势蚯蚓种。
2001年,建立了试验田。
每个小区((2.8m×1.0m×0.6m)的框架是用混凝土建造的。
在试验田中轮作水稻和小麦。
每年六月的后十天里用非浸泡的方式种植水稻,在整个水稻生长期间含水量始终保持在田间最大持水量的80%,在十月的后十天种植小麦。
每年在水稻和小麦耕作之前每个小区施用尿素(210kgNha-1),过磷酸钙(46kgPha-1),氯化钾(87kgKha-1),同时部分小区施用玉米秸秆(7500kgha-1)。
2001年试验田一成立便首先人工除去了田地里的蚯蚓,然后在试验开始前向施用秸秆的农田里接种蚯蚓,密度为70gm-2(30±2条成年蚯蚓),接近于当地土壤中蚯蚓种群的密度。
2001到2008年在每个种植水稻和小麦季节结束后,确定土壤样品中(0.018立方米:
0.3米×0.3米×0.2米)蚯蚓的生物量,然后将蚯蚓调整到70gm-2适宜的密度。
试验包含以下五组处理:
玉米秸秆混施,不接种蚯蚓(I);玉米秸秆混施,接种蚯蚓(IE);玉米秸秆表施,不接种蚯蚓(M);玉米秸秆表施,接种蚯蚓(ME);不施玉米秸秆也不接种蚯蚓(CK)。
在完全随机试验设计中每个处理重复三次。
在处理IE中,加入蚯蚓之前将土壤、肥料、玉米秸秆混合均匀。
在处理ME中,首先将土壤和肥料混合均匀,然后在土表覆盖上玉米秸秆,最后加入蚯蚓。
2008年6月15日小麦收获后采取土壤样品。
每个小区,在直径2.5厘米深度0-20厘米的土壤范围内随机设置五个采样点,使用钢质采样器进行采样,然后将单个样品汇集在一起成为混合样品。
土壤风干,过0.25毫米筛,备用。
2.2土壤腐殖质组成分析
根据张晋京等人描述的方法[18]对腐殖质组成进行分析。
取适量土壤样品于离心管,加入0.1molL-1NaOH和0.1molL-1Na4P2O7a在70°C下提取1h,离心得到可提取物质(HE)。
用0.5molL-1H2SO4调节pH为1.0,溶液为富里酸(FA),沉淀为胡敏酸(HA),用0.025molL-1H2SO4和水洗涤胡敏酸,使其溶解在0.05molL-1NaOH溶液中。
运用K2Cr2O7氧化法测定碱提取液的含碳量(HEC)、胡敏酸含碳量(HAC)及土壤总含碳量(TOC),另外可以通过碱提取液的含碳量(HEC)减去胡敏酸含碳量(HAC)计算出富里酸的含碳量(FAC)[16]。
2.3土壤胡敏酸制备及结构表征
制备胡敏酸,每次取100g土壤样品,重复三次,将这些土样掺混到一起制成混合土样。
根据窦森、Piccoloet、张晋京等人所描述的试验过程[19~21]和相应的一些修改对胡敏酸进行分离和提纯。
首先,向土壤样品中加入蒸馏水和0.05molL-1HCl除去难分解物质和碳酸盐。
然后,用0.1MNaOH和带有5%(w/v)Na2SO4·10H2O的0.1MNa4P2O7混合溶液在25°C下浸提48小时。
于碱提取液中加入6molL-1HCl至其pH=1.0,用离心法分离出胡敏酸,然后用0.1molL-1NaOH和6molL-1HCl反复溶解-沉淀3次,再加入0.5%(v/v)HCl-HF混合溶液震荡去除其中的矿物质,用玻璃纸半透膜透析至膜外水中无Cl-为止,最后冷却干燥。
固态13C核磁共振波谱用瑞士BrukerAV400型核磁共振仪测定,采用交叉极化魔角自旋(CPMAS)技术,共振频率为100.61MHz,带有一个4mm的探头,魔角自旋频率为5kHz,接触时间为4ms,采样时间为34ms,循环延迟时间为0.5s,光谱宽度为100Hz,数据点为3072个。
波谱可划分为4个主要的共振区[22],即烷基C区(0~50ppm)、烷氧C区(50~110ppm)、芳香C区(110~160ppm)和羰基C区(160~200ppm)。
各共振区的主要吸收峰及其归属如下:
烷氧基C区中,可以在50~60、60~59、和95~100ppm观察到吸收峰,它们分别为木质素中的甲氧基碳和蛋白质中的碳、碳水化合物碳和双氧烷基碳;芳香C区中,110-145ppm为芳基碳的吸收,145-160ppm为酚羟基C的吸收[22~24]。
积分面积由仪器自动给出,各类型碳相对含量用某化学位移区间积分面积占总积分面积的百分数表示,可以计算出脂肪C/芳香C、烷基C/烷氧基C、疏水性C/亲水性C的值[25]。
旋转边带按Conte等的方法修正[26]。
2.4统计分析
单向方差分析通过空白试验(CK),玉米秸秆表施,不接种蚯蚓(M),玉米秸秆混施,不接种蚯蚓(I)这几个不加入蚯蚓的处理分析玉米秸秆的施用对腐殖质组成的影响。
双向方差分析通过玉米秸秆表施,不接种蚯蚓(M)玉米秸秆混施,不接种蚯蚓(I)施用玉米秸秆的同时接种蚯蚓(E)这几个处理分析接种蚯蚓和玉米秸秆施用方式对腐殖质组成的主要影响及相互作用。
对之间的差异进行LSD检验(最小显著差p<0.05)。
所有统计分析均使用SPSS16.0统计软件完成。
3结果与讨论
在那些没有添加蚯蚓的处理中,在每个耕作季节末期会发现极少的接种蚯蚓,随后把它们从试验田中除去。
在那些添加蚯蚓的处理中,蚯蚓的平均生物量在2001-2008年不同的耕作季节始终保持在55.7-79.2gm-2范围内,每个耕作季节每个处理的蚯蚓的生物量通常是一个恒定的常数。
3.1土壤腐殖质组成
各处理土壤全碳量和相应的腐殖质组分的数据列于表3-1.1。
与空白试验对比,接种蚯蚓与否,土壤全碳量、腐殖酸组分、HAC/FAC比值均显著增加;富里酸含量变化不明显。
秸秆混施的情况下土壤全碳量、腐殖酸组分、HAC/FAC比值通常比秸秆表施要高,而在没有蚯蚓的处理中,土壤HAC/FAC变化不显著。
一些以前的研究也曾报道过玉米秸秆对增加土壤全碳量[27,28]和碱提取腐殖组分的作用[28,29],其结果与此次研究的结果相一致。
玉米秸秆改善过的土壤与空白对照土壤相比,更加能够增强腐殖酸组分的抗微生物降解能力[30]。
Coq等人通过五个月的中型田间试验发现与秸秆表施的土壤相比,秸秆混施的土壤总有机碳含量增高的更显著[31],这也与此次研究的结果一致。
在施用玉米秸秆的情况下,接种蚯蚓与否土壤总有机碳含量(TOC)、碱提取液含碳量(HEC)、胡敏酸含碳量(HAC)、富里酸含碳量(FAC)及胡敏酸C/富里酸C(HAC/FAC)的变化都不显著,而且蚯蚓与秸秆施用的方法也无重要的相互作用(表3-1.2)。
而施用玉米秸秆使土壤全碳量,HAC和HAC/FAC略有增长,HEC和FAC略有下降,这表明蚯蚓的活动更有利于胡敏酸组分的形成,从而增大土壤的腐殖化程度。
HEC和FAC略有下降主要因为富里酸比胡敏酸的可溶性和反应活性更强[11],。
而在玉米秸秆表施处理中,TOC略微增长,腐殖酸含碳量和HAC/FAC几乎保持为一个恒量,这表明在玉米秸秆表施情况下蚯蚓的活动对土壤腐殖质组成的作用可以忽略。
Coq等人的研究表明蚯蚓的影响在秸秆混施的处理中比秸秆表施的处理中更显著[31]。
而我们的研究结果与此相反,通过五年的中型农田生态试验研究发现:
施用秸秆的情况下,接种蚯蚓比不接种蚯蚓的土壤总有机碳含量低。
已知,蚯蚓有短期的增强矿化程度的作用和长期的保护碳的作用,蚯蚓对土壤碳素的影响由两者的相对重要性决定[31]。
尽管总含碳量增加的不明显,甚至7年后才发现这种情况,但是可以说明它是由于蚯蚓对碳的长期性保护作用所引起的。
上食下居型蚯蚓居介于表居型和深居型蚯蚓之间[32],与其他的两个物种相比,它的生活习性更加的多变[33]。
根据14C同位素示踪法分析,认为大部分熟化的有机质组成蚯蚓食物的一部分[17],这意味着蚯蚓对近期加入玉米秸秆的土壤中有机碳的摄取量要小于自然土壤。
这在一定程度上能够解释为什么在施用秸秆的情况下,接种蚯蚓与否对土壤有机质组分的影响差异不显著。
蚯蚓虽然是小型动物,但它的肠道和相关结构具有明显的微生物特性,较土壤中大部分微生物更加活跃[34,35]。
在秸秆混施的处理中通过蚯蚓的挖掘活动,使蚯蚓能够接触到秸秆,为玉米秸秆的腐殖化提供有利条件。
3.2.胡敏酸的结构特征
13C交叉极化魔角自旋转核磁共振波谱技术是对土壤腐殖质不同含碳组分进行半定量分析比较合适的方法[13,24]。
每个处理胡敏酸的13C交叉极化魔角自旋转核磁共振波谱如图3-2.1所示。
烷基碳含量峰值总是恒定的保持在30ppm附近,通常系饱和烃中聚亚基链—(CH2)n—的贡献[36]。
另外,在25ppm处的小峰可能是烷基链中-CH-的信号[23]。
烷氧碳中,55-56、72-74、103-104ppm分别为甲氧基碳、碳水化合物碳、双氧烷基碳的信号,其中,72-74ppm的信号为碳水化合物中仲醇基-CHOH-碳的吸收[29]。
芳香碳区最明显的信号是126-129ppm的吸收,主要为被—COOH或—COOMe取代的芳香碳以及与O、N等取代基相连的芳香碳[29]。
152ppm为酚羟基碳的信号。
羧基碳区信号主要集中在171-172ppm,主要是羧酸、酯、酰胺中的羰基碳[29]。
此外,五个处理中的胡敏酸明显的峰值都在在219-223ppm,通常被认为是单边带(SSB)。
每个处理胡敏酸不同碳官能团碳相对吸收强度如表3-2所示。
烷氧基碳平均吸收强度最大(总的吸收强度为37.3%),其次是芳香碳(24.2%)和烷基碳(20.0%),平均相对吸收强度最小的是羧基碳(24.2%)。
另外,碳水化合物碳的吸收强度在烷氧碳中最大(22.7%),芳基碳的吸收强度在芳香碳中最大(16.7%)。
与空白对照相比,施用玉米秸秆使胡敏酸的烷基碳和羧基碳减少,而烷氧基碳总量和芳香碳总量增加。
烷氧基中甲氧基碳和碳水化合物碳、酚羟基碳增加,而芳香碳中的芳基碳减少或保持不变(表3-2)。
胡敏酸不同官能团碳相对比例的这种变化导致了脂肪C/芳香C(aliphaticC/aromaticC)、烷基C/烷氧基C(alkylC/O-alkylC)、疏水性C/亲水性C(hydrophobicC/hydrophilicC)比值的降低。
(图3-2.2)脂肪C/芳香C、烷基C/烷氧基C、疏水性C/亲水性C分别作为腐殖质脂肪化、腐殖化或分解程度、疏水性的评价指标[13,14,21]。
结果表明,与空白对照相比其他所有处理中胡敏酸的脂肪化、腐殖化、疏水性都降低了。
在烷氧基化合物中,玉米秸秆的腐殖酸占有很大的比例[37]。
由于胡敏酸化学结构的改变促进了一些相对容易分解的亲水性化合物在土壤中的转化。
另外,土壤类型也会影响土壤胡敏酸特性[38]。
在玉米秸秆表施情况下,与没有接种蚯蚓的处理相比,接种蚯蚓胡敏酸碳官能团的相对吸收强度和相关比值变化不明显(表3-2,图3-2.2)。
这与目前腐殖质组分的研究分析得出的结果相似(表3-1.1)。
在玉米秸秆混施的情况下,与不接种蚯蚓的处理相比,接种蚯蚓的烷基碳和总的芳香碳含量较高,而总的烷氧基碳和羧基碳含量较低(表3-2),
脂肪C/芳香C比值较低,而烷基C/烷氧基C比值和疏水性C/亲水性C比值较高(图3-2.2)。
结果表明,玉米秸秆混施的处理中,由于大部分种类的的蚯蚓以简单的可溶性有机化合物为食,接种蚯蚓会降低胡敏酸的脂肪化程度,而增加其腐殖化程度和疏水性[39],胡敏酸脂肪化的减弱和腐殖化的增强导致了分子中烷基碳的减少。
Shan等人的近期研究证明,威廉腔环蚓可以有选择性的吸收腐殖质中的蛋白质成分[40]。
研究所得的结果也与蚯蚓能促进有机质的腐殖作用这一普遍发现相一致[9,14,41]。
在蚯蚓存在的情况下,玉米秸秆的腐殖作用能够提高其作为有机土壤改良剂的质量[42,43]。
4结论
研究表明在稻麦轮作生态系统中,与空白对照相比,施用玉米秸秆显著影响土壤腐殖质组成及胡敏酸结构特征,而蚯蚓活动的影响不显著。
玉米秸秆混施条件下,接种蚯蚓更有利于胡敏酸的形成,同时胡敏酸的结构中脂肪度降低,烷基度升高,疏水性变大;而在玉米秸秆表施情况下,土壤腐殖质组成和胡敏酸结构通常变化不明显。
化学位移/ppm
图3-2.1五组处理胡敏酸的13CCPMAS核磁共振波谱。
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玉
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