毕业设计（论文）-提取碳水化合物后土壤团聚体中可氧化态有机碳分布特点国内外现状研究

贵州大学本科毕业论文（设计）第页提取碳水化合物后土壤团聚体中可氧化态有机碳分布特点1.文献综述1.1研究目的意义近年来，土壤碳储库日益受到关注[1]，且有许多研究试图阐明土壤对全球碳循环的影响[2]。研究表明[3,4,5,6,7]，土壤有机碳含量约占陆地生物圈碳库的2/3，而每年进入土壤储存的和以CO2形式释放的碳量约占土壤有机碳总量的4%，土壤有机碳在很大程度上影响土壤结构的形成和稳定性、土壤的持水性能、植物营养的生物有效性以及土壤的缓冲能力和土壤生物多样性等，缓解和调节与土壤退化以及土壤生产力有关的一系列土壤过程。由于土壤有机碳储量的巨大库容，其较小幅度的变化就可能影响到CO2向大气的排放，以温室效应影响全球气候的变化，同时也影响到大气陆地植被的养分供应，进而对陆地生态系统的分布、组分、结构和功能产生深刻影响[8]。土壤活性有机碳是有机碳中比较活跃的组成部分，容易被氧化和分解，加强这方面的研究有利于对温室效应进一步的了解。在土壤中，如果知道土壤活性有机碳的含量，就可以知道该种土壤中固定的非活性有机碳的含量，进而可以了解这种土壤碳的库容和固碳能力，对土壤的结构、肥力水平以及植物营养有更加深刻的了解。贵州地处云贵高原，地形复杂多样，是典型的喀斯特地貌，严重石漠化造成的水土流失与土地退化已成为制约这一区域农业发展的主要因素。探讨喀斯特山区水土流失特征，防治水土流失与土地退化，对解决贵州喀斯特区域的土壤匮乏，发展农业生产，改善生态环境有十分重要的意义。在喀斯特地区分布最广的两类岩石是石灰岩和白云岩。由这两种岩石发育的石灰土和石质土无论是总石漠化发生率还是各种程度石漠化发生率都是所有土壤类型中最高的，尤其是石质土的石漠化发生率远远高于其它类型，说明该区土壤的发生特点是导致石漠化形成的主要自然因素。因此研究这两类岩石发育土壤中的可氧化有机碳具有非常重要的意义，对治理水土流失提供理论依据。本文选择贵州花溪区乔木林下灰质白云岩岩石发育土壤，通过土壤的有机质(碳水化合物)含量测定对土壤团聚体进行拆分，对各种情况下团聚体各个粒径进行有机碳，可氧化态有机碳测定。由此了解土壤团聚体不同粒径中可氧化态有机碳的分布规律，从而进一步分析土壤团聚体对土壤固碳有何种影响，团聚体中固定哪种粒径才能更好地进行土壤固碳，为土壤固碳提供基础理论支撑；为科学地治理贵州的石漠化提供科学依据。1.2土壤团聚体与有机碳关系的研究 土壤有机碳的稳定性主要受有机碳的难降解性、土壤理化性质和环境条件及土壤分解者生物群落的影响。全面了解土壤有机碳的稳定机制对于估计土壤有机碳的固定潜力，制定相应的土壤管理措施，以提高有机碳固定，充分发挥土壤有机碳的生态功能等具有非常重要的意义。土壤团聚体的物理保护导致的生物与有机碳的空间隔离是土壤有机碳主要的稳定机制之一[9]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤的重要组成部分。土壤团聚体长久以来被作为土壤结构稳定性的替代指标。土壤团聚体在土壤中具有“三大作用”，即保证和协调土壤中的水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、维持和稳定土壤疏松熟化层。表土中近90%的土壤有机碳位于团聚体内[10]，农业生产活动主要发生在土壤表层，因此表层土壤团聚体内有机碳的研究对揭示保护那一层土壤中有机碳对提高土壤固碳作用具有重要意义。1.2.1土壤团聚体形成的研究团聚体形成和稳定过程的研究自20世纪初就受到关注，并且涌现出很多强调有机碳作用的团聚体形成模型[11,12,13,14]。1982年Tisdall和Oades[11]提出团聚体的等级发育模型。空间和时间是该模型的两个重要尺度，在空间尺度上，土壤团聚体由微团聚体向大团聚体逐级连续层次性形成，而在时间尺度上，胶结物质从多糖(暂时稳定)向菌丝根系(短时间稳定)及芳香类物质(持久稳定)层次性变化。根据该模型，微团聚体比大团聚体稳定，微团聚体的形成是大团聚体形成的前提条件，而各类有机碳是最重要的胶结物质。Elliott[15]在美国北部草地土壤验证了团聚体层次模型理论，认为大团聚体比微团聚体包含更多易变的有机质。 1984年Oades[14]对该模型作了重要改进，认为根系和菌丝可以直接促进大团聚体的形成，微团聚体可以在大团聚体内形成。该模型指出：大团聚体中心形成微团聚体。Angers等[16]的研究结果验证了微团聚体是在大团聚体中形成的理论。他们在13C、15N小麦秸秆的田间培养试验中观察到，在分解初期，13C首先在大团聚体中累积，但随后在大团聚体中逐渐下降，而在微团聚体中增加，13C随着时间变化从大团聚体向微团聚体转移的现象，说明微团聚体先在大团聚体中形成，然后从大团聚体中分解出来。这项研究一定程度上表明了土壤有机质在土壤团聚体中的转移途径。1.2.2土壤团聚体与有机碳固定关系的研究土壤团聚过程是土壤固碳最重要的途径之一[17]。Six等[18]从土壤属性本身的保护机制出发，把土壤固碳的理论最大量称为固碳潜力。Campbell等[19]通过长达30年的定位研究发现，在有机碳含量丰富的土壤中，土壤有机碳含量并不随碳的输入而增加，而是稳定在某一特定值上。Chung等[20]研究表明，与碳输入量相比，土壤有机碳水平更能影响土壤对外源有机碳的固定。Gulde等[21]进一步提出，土壤对有机碳的固定存在一个饱和值，一旦达到此值，即使向土壤输入再多的碳，土壤有机碳含量也不会再增加。2007年Kool等[22]提出土壤碳饱和的等级模型，指出不同粒级的团聚体存在不同的碳饱和值，并且按照团聚体由小到大的顺序依次饱和。在后来土壤固碳潜力的研究中，引入了土壤碳饱和赤字的概念，土壤碳饱和赤字是指土壤有机碳理论饱和值和土壤现有有机碳含量之差，土壤饱和赤字的大小决定土壤的固碳效率(△SOC/△Cinput)。土壤对有机碳的固定是有限的，并且土壤饱和赤字越大，土壤的固碳潜力就越大，土壤固定有机碳的效率就越高。因此对土壤固碳潜力的估算显得尤为重要。目前关于土壤固碳潜力的计量方法主要有以下几种：(1)长期定位试验结果外推法；(2)历史观测数据比较法；(3)土地利用方式对比法；(4)土壤有机碳周转模型法。1.2.3土壤团聚体的分离方法干筛法和湿筛法是目前团聚体研究常用的两种方法。由于干筛得到的结果重复性差，湿筛的结果相对稳定，故湿筛法最为常用。但湿筛筛分团聚体也有其不足之处：(1)由于离子水化作用、土粒内空气压力、膨胀作用以及胶结物在水中的溶解性容易导致团聚体的破裂；(2)对微生物群落造成一定程度的破坏；(3)由于水溶性碳的损失，低估了团聚体碳库[23]。因此，在实践中一定要根据研究目的选取合适的筛分方法进行团聚体分离。研究团聚体中有机碳，人们大多采用湿筛法。在Six等[24,25]的系列研究中，一般将土壤分成4个粒级：>2000μm、2000-250μm、250-53μm和<53μm。土壤的预处理、土壤含水量以及含沙量是影响水稳性团聚体测定的主要因素[26]。基于对以上影响因素的考虑，人们发现将土壤样品过8mm或10mm筛后进行风干，筛分完毕后进行含沙量的测定可以减少以上因素的干扰。湿筛前用去离子水浸泡5min，可以驱除团聚体内的闭塞空气，防止团聚体气爆。1.3土壤团聚体中可氧化态有机碳的研究土壤有机碳包括活性有机碳和非活性有机碳[27,2]。土壤活性有机碳是指在一定的时空条件下，受环境条件影响强烈、易氧化分解、对植物和微生物活性比较高的那一部分土壤碳素。由于土壤高的背景值和较大的空间异质性，土壤有机碳的微小变化很难发现。因此，土壤有机碳的活性部分，不是土壤有机碳的全量，它是指示土壤有机碳状态较有用的指标[29,30,31]。土壤活性有机碳含量的高低直接影响土壤微生物的活性，从而影响温室气体的排放[32,33]。而土壤的可氧化态有机碳又叫有效碳、水溶性有机碳、易氧化碳、可矿化碳、微生物量碳等[34]。尽管这部分碳素的在土壤活性碳中所占比例很小，但它对土壤碳素的转化却很重要，而且与土壤生产力密切相关[8,36]。研究表明[6,38]，土壤可氧化态有机碳是衡量土壤有机质的敏感性指标，可以指示土壤有机质的早期变化。并且土壤的可氧化有机碳与大气的温室效应有很大关系.因此土壤的可氧化态有机碳研究受到很大的关注。1.3.1可氧化态有机碳的测定方法国内外有关活性土壤有机碳库的测定方法很多，概括起来可分为三大类：一类是物理分组法，一类是化学法，第三类是微生物学方法[39]。国内如袁可能提出的K2Cr207氧化法[40]，李酉开提出的稀释热法(水合热法)[41]。国外如Logninow等[42]提出的KMnO4氧化法，他们根据有机质被三种不同浓度的KMnO4(33mmol·L-1、167mmol·L-1、333mmol·L-1)氧化的数量，把易氧化有机质分成3个程度不同的级别。此方法假设KMnO4在中性条件下对土壤碳的氧化作用与土壤微生物和土壤酶的作用类似；氧化中KMnO4下降的浓度越低，说明土壤有机成份活性越大。Blair、Lefroy等研究发现这3个级别活性有机质中，能被333mmol·L-1KMnO4氧化的有机质在种植作物时变化最大，故将能被333mmol·L-1KMnO4氧化的有机质称作活性有机质(Labileorganicmatter,LOM)，不能被氧化的称作非活性有机质(Non-labileOM,NLOM)。国内外高级刊物中最常用的是化学氧化法，且以袁可能法和333mmol·L-1KMnO4氧化法出现最多。但用于测定的土壤粒级不一样，例如袁可能法建议土壤风干过0.15mm筛，李酉开法和333mmol·L-1KMnO4氧化法则用过0.5mm筛的风干土，粒径选择的差异对不同研究结果的比较造成了一定的困难。1.3.2可氧化态有机碳与土壤的关系土壤可氧化态有机碳的含量主要取决于土壤的通气情况，以及土壤的通透性，与粘粒的相关性不显著[42]。许多研究表明[43,44]，土壤可氧化态有机碳与土壤质地具有较好的关系，因此研究土壤可氧化态有机碳对治理水土流失有很大的帮助。而且土壤的可氧化有机碳的含量与土壤的物理、化学性质有一定的相关性[45,1]。并与土壤的养分含量改变有极大相关性[1,47]，土壤中各类有机碳与全氮含量存在极显著的负相关关系，说明土壤的速效磷、全氮、速效钾的含量越高，则土壤可氧化有机碳的含量越低[48]，而经过0.333mol·L-1和0.167mol·L-1高锰酸钾处理可氧化有机碳与土壤的速效磷、全氮、速效钾的含量存在着极显著的负相关关系[49]。因此，土壤可氧化态有机碳的研究对保护土壤养分，阻止土壤养分流失也会起到相当大的指导作用。可氧化态有机碳研究与土壤团聚体联系是有机碳研究新的方向，随着人们对土壤固碳的深入研究，逐渐认识到土壤团聚体不仅是土壤肥力的重要指标[46]，也是土壤有机碳稳定和保护的载体[37]，土壤有机碳的固定效应与团聚体的保护机制密切相关。有报道认为土壤有机碳含量与粘粒含量呈显著正相关，并提出了土壤碳保护容量和土壤碳饱和差概念，用以说明粘粒的物理保护作用对土壤有机碳储存潜力的影响。但也有资料显示土壤有机碳含量与粘粒间的关系不显著[51]，而与团聚体密切相关。由于土壤团聚体具有特定的孔隙特征，能够保护其内部存在的有机碳，使得不同粒径团聚体中的有机碳不仅在数量上存在差异，在稳定性方面也不尽相同。因此，了解不同粒径团聚体中有机碳，可氧化态有机碳的分布状况会更好的帮助了解土壤中碳素的分布，也对人们更好的保护土壤碳起到指导作用，为温室效应的治理提供些理论依据。1.4土壤团聚体中碳水化合物的研究碳水化合物是土壤中主要的粘质，对于稳定土壤结构起着重要的作用。它们经常以凝胶或纤维的形式存在于根系和微生物的周围，并不沿着空隙流动。这些糖类物质将流动的各种粘土、离子等粘结在一起，稳定了土壤结构(OadesJM,2000)，对保持土壤环境稳定和防止水土流失有重要作用。碳水化合物与粘土矿物的共同作用使颗粒稳定，粘土矿物与有机质的相互作用是很普遍的，但由于碳水化合物的粘性以及其它性质使两者之间的相互作用更加稳定。碳水化合物具有粘性，同样可以吸附粘土矿物，使它们的相互作用更加稳定。除此之外，碳水化合物的羟基可以通过氢键与粘土矿物表面的羟基相互作用，但这种作用很微弱。粘土胶体的双电层中带有正电荷，而碳水化合物通常以带负电荷胶体的形式存在，两者可以通过静电引力相互吸引。吸附在粘土矿物表面的多价阳离子可以通过化学键将粘土与碳水化合物连接起来。参考文献[1]李淑芬,俞元春,何晟.等.土壤溶解有机碳的研究进展[J].土壤与环境,2002,ll(4):422-429.[2]BlairGJ,LefroyRDB,LisleL.SoilCfractionbasedonthedegreeofoxidationandthedevelopmentofaCmanagementindexforagriculturalsystems[J].AustJ.Agric.Res.1995,46:1459-1466.[3]BiederbeckBO.Labilesoilorganicmatterasinfluencedbycroppingpracticesinallaridenvironment[J]SoilBio1.Biochem.1994,26(12):1656-1574.[4]HerrickJE.WanderMM.Relationshipsbetweensoilor.ganiccarbonandsoilqualityincroppedandrangelandsoils:Theimportanceofdistribution,compositionandsoilbiologicalactivity[A].In:LalR,KimbleJM,FollettRF,eds.oilProcessesandtheCarbonCycle[C].BocaRaton:CRCPress,1997,405-426.[5]HookPB,BurkeIC.Biogeochemistryinashortgrasslandscape:Controlbytopography,soiltexture,andmicroclimate[J].Ecology,2000,81(10):2686-2703.[6]JenkinsonDS,RaynerJH.TheturnoverofsoilorganicmatterinsomeoftheRothamstedclassicalexperiments[J].Soil5,1977,123:298-305.[7]KarlenDL,RosekKK,GardenJC,eta1.Conservationreserveprogrameffectsonsoilqualityindication[J].J.SoilWaterConserv.1999,54(1):439-444.[8]苏水中,赵哈林,土壤有机碳储量,影响因素及其对环境效应的研究进展[J].中国沙漠,2000,22(3):220-228.[9]刘满强,胡锋,陈小云.土壤有机碳稳定机制研究进展[J].生态学报,2007,27(6):2642-2649.[10]JastrowJD.Soilaggregateformationandtheaccrualofparticulateandmineral-associatedorganicmatter[J].SoilBiologicalBiochemistry,1996,28(4/5):665-676.[11]TisdallJM,OadesJM.Organicmatterandwater-stableaggregatesinsoils[J].JournalofSoilScience,1982,33(2):141-163.[12]SixJ,ElliottET,PaustianK,etal.Aggregationandsoilorganicmatteraccumulationincultivatedandnativegrasslandsoils[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal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