用δ13C方法研究玉米秸秆分解期间土壤有机质数量动态变化

通过室内培养实验 ,应用δ1 3C方法研究了玉米秸秆分解期间 ,土壤中胡敏酸 (HA)和富里酸 (FA)数量的动态变化。结果表明 :培养期间 ,新加入的玉米秸秆以及原土有机C都减少 ,但后者分解速度较慢。培养初期 ,FA的形成速度大于HA ;随培养时间延长 ,FA转化为HA或相互转化。原土有机质中 ,HA、FA也发生了相互转化 ,但与新形成的HA、FA相比转化速度较慢。用δ1 3 C方法研究短期培养 (几个月～几年 )条件下新加入有机质在土壤中的分解动力学是可行的。     

不同CO2浓度对玉米秸秆分解期间土壤腐殖质形成的影响

以往人们较多的研究了土壤有机碳与温室气体的源、汇关系问题,却很少研究温室气体对土壤有机碳本身分解转化和各组分性质的影响。为了探讨CO2浓度升高对腐殖物质形成转化的作用,本文通过室内人为高浓度CO2的培养试验,用腐殖质组成修改法研究了玉米秸秆分解期间（1~180d）土壤总有机碳（TOC）、水溶性物质（WSS）、碱提取腐殖物质（HE）、胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）数量的动态变化规律及不同CO2浓度对有机碳各组分形成与转化的影响。结果表明：玉米秸秆分解期间,“新形成”的净TOC逐渐降低,净HE表现为先增加而后下降的趋势,HM的绝对数量逐渐下降。可提取腐殖物质中HA的比例（PQ）先增加后下降,最终趋于平稳,说明最初富里酸（FA）的形成速度大于HA,随培养时间的延长,FA和HA经历了一段相互转化的过程,最终达到动态平衡。30%CO2浓度（V/V）处理的TOC、WSS、HE和HM数量明显高于3%CO2浓度处理和正常CO2浓度（0.0375%）处理,其中WSS和HM反应更为敏感。但3%CO2浓度处理与正常CO2浓度处理的差异不明显。可提取腐殖物质的PQ的顺序是30%CO2浓度处理〉3%CO2浓度处理〉正常CO2浓度处理,说明CO2浓度增加更有利于FA而不利于HA的形成和稳定。     

土壤腐殖质分组研究

采用Pallo法对两种耕地土壤腐殖质进行分组,初步研究了各组分的数量和结构特征。结果表明:焦磷酸钠提取的胡敏酸(HAp)是胡敏酸(HA)的主要组分;游离富里酸(FAf)是富里酸(FA)的主要组分;胡敏素(HM)的主要组分为非溶解性胡敏素(ISHM),而溶解性胡敏素(SHM)含量较低。通常随土层深度增加,HA、HM各组分的绝对数量和相对数量都下降;FA各组分的绝对数量也下降,而相对数量增加;HA/FA比值下降。一般来看,焦磷酸钠提取的富里酸(FAp)、氢氧化钠提取的富里酸(FAs)比相应的HAp、氢氧化钠提取的胡敏酸(HAs)的分子结构简单,铁结合胡敏素(HMi)比粘粒结合胡敏素(HMc)的分子结构简单;随土层深度增加,HAp、HAs的分子结构变简单,而HMi、HMc的分子结构变复杂。     

添加玉米秸秆培养对土壤团聚体胡敏酸数量和结构特征的影响

利用湿筛法进行土壤团聚体分组(>2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm粒级),研究了其添加不同用量玉米秸秆,25℃恒温室内培养对团聚体中胡敏酸数量和结构特征的影响。结果表明:添加玉米秸秆培养后,土壤团聚体2～0.25 mm和>2 mm粒级成为优势粒级,平均含量分别占51.41%和34.12%,其全碳含量为10.15～25.74 g kg-1,胡敏酸(HA)绝对含量为4.06～5.79 g kg-1,明显高于对照CK的9.79～10.48 g kg-1和3.70 g kg-1,并随玉米秸秆用量的增加而增大;各处理胡敏酸C/H及高温/中温比值均低于CK处理,并随玉米秸秆用量的增加逐渐减小,说明随玉米秸秆用量的增加使HA分子缩合度降低,结构趋于简单化。     

秸秆深还不同年限对黑土腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响

秸秆深还(Corn stover deep incorporation,CSDI)指将作物秸秆深埋于土壤亚表层20~40 cm深处,用以解决秸秆焚烧和土壤肥力退化的可持续利用模式。本文以吉林农业大学玉米连作耕地试验田未施用秸秆和秸秆深还不同年限的土壤为研究对象,设置CK、CSDI(2014)、CSDI(2013)和CSDI(2012)共4种处理,分别代表未施入秸秆、2014年秸秆深还(深还第1年)、2013年秸秆深还(深还第2年)、2012年秸秆深还(深还第3年),研究秸秆深还不同年限对黑土腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响。通过腐殖质组成修改法提取富里酸(Fulvic acid,FA)、胡敏酸(Humic acid,HA)和胡敏素(Humin,HM),国际腐殖质协会(International Humic Substances Society,IHSS)推荐的方法提取HA样品,通过元素组成、红外光谱和差热分析测定HA结构。结果表明:与CK相比,秸秆深还1年后显著提高了土壤和腐殖质各组分有机碳含量,亚表层累积效果更明显,其土壤有机碳(SOC)、HA、FA和HM有机碳含量分别增加了23.7%、30.5%、27.3%和46.1%,但PQ值(HA在可提取腐殖物质的比例)没有显著变化;HA氧化度和缩合度降低明显,表层和亚表层(O+S)/C比值分别降低14.31%和14.68%,H/C比值分别增加27.74%和28.86%,脂族链烃和芳香碳含量增加,热稳定性降低,HA结构趋于简单化。随着年限增加,深还3年后SOC、FA和HM有机碳含量呈下降趋势,HA有机碳含量呈上升趋势,PQ值变化显著,HA缩合度、氧化度呈上升趋势,脂族性减弱,芳香性增强,HA结构趋于复杂化。说明随着年限增加,秸秆不断矿化分解,秸秆深还对土壤腐殖质组成和结构特征的影响效果减弱。     

秸秆还田条件下内陆盐碱土腐殖质的动态变化

采用室内培养试验的方法,研究了秸秆加入条件下内陆盐碱土的腐殖质及其组分(胡敏酸、富里酸)的动态变化。结果表明,在秸秆腐解过程中,盐碱土腐殖质、富里酸、胡敏酸含量均呈现持续上升趋势,分别平均增加了112.5%,269.54%和92.9%富里酸的含量明显高于胡敏酸的含量,是胡敏酸含量的约3~10倍。土壤的HA/FA(腐殖酸/富里酸)呈现出先增长后降低的趋势,并且在90d时达到平均最高值(0.283)。尿素添加量7.2g的处理土壤腐殖质含量在0.19%~0.38%,该处理秸秆分解的速率最快。土壤腐殖质和富里酸随着尿素含量梯度的增加呈现先上升,后下降,再上升的趋势,且分别平均增加了46.7%和55.3%胡敏酸的变化趋势与腐殖质相反,平均减少了14.3%HA/FA呈下降趋势,但下降趋势不明显。     

连续提取对土壤腐殖质组分数量与特性的影响

以暗棕壤为供试土壤,研究了NaOH和NaOH+Na4P2O7连续提取对土壤腐殖质组分数量和特性的影响。结果表明:用两种提取剂得到的土壤腐殖质组分总量相差不大,并且其中HA组分的数量均高于FA组分。随提取次数增加,胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)的绝对数量均下降,HA、FA的相对数量也下降,而HM的相对数量则增加。以NaOH为提取剂时,最后得到的腐殖质组分中FA的相对比例高于HA;而用NaOH+Na4P2O7为提取剂时,最后得到的腐殖质组分中HA的相对比例则高于FA。连续提取过程中,HA、FA的色调系数(Δlogk)和活化度(AD)通常呈增加趋势,而相对色度(RF)下降,说明后提取出的HA、FA的缩合度较低,脂族性较强。用RF来表征HA、FA特性变化更为合适。     

施用有机物料对土壤镉形态的影响

采用室内培养试验,研究作物新鲜秸秆和腐熟猪粪对模拟镉（Cd）污染的土壤中Cd形态转化的动态影响。结果表明,各处理土壤交换态Cd含量随培养时间均逐渐降低。碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Cd含量先增加后降低, 而有机质结合态和残渣态Cd含量则逐渐增加。添加秸秆可增加土壤交换态Cd含量,但随时间延长,增幅逐渐降低, 猪粪则可降低土壤交换态Cd含量。添加有机物后土壤交换态Cd含量的变化主要是由有机质结合态或残渣态Cd含量的变化而引起。秸秆和猪粪对土壤Cd形态的转化与土壤胡敏酸（HA）和富里酸（FA）的变化有关。秸秆对能活化土壤Cd的FA增加幅度大于对能钝化土壤Cd的HA增加幅度,降低HA/FA比,但降幅随时间逐渐减少; 猪粪在整个培养阶段对HA增加幅度均大于FA的增加幅度,增加HA/FA比。秸秆和猪粪均可降低潮土pH而提高红壤pH,但只有猪粪可通过提高红壤pH降低Cd向交换态转化。添加秸秆和猪粪后,Cd由低活性态向交换态转化与HA/FA呈显著负相关。     

土壤胡敏酸与富里酸热力学稳定性及其驱动因素初步研究

从过程考虑,腐殖质的形成和转化主要是微生物主导的生物化学过程,但就其始态和终态的能量水平变化而言,是热力学稳定性问题。在土壤中,影响腐殖质的形成转化的因素很多,如黏粒含量和类型,植被和微生物状况,土壤湿度、温度和空气组成,土壤溶液的化学组成、浓度、酸度和氧化还原状况等。但从热力学角度,为了计算反应平衡常数(logKR)和吉普斯生成自由能(ΔGfθ),如果将温度设为25℃,我们可以将土壤条件诸多因素简化为水活度([H2O])、氧分压(PO2)和二氧化碳分压(PCO2)这3个参数。之所以简化为这3个参数,因为任何有机成分均是由含有这3种元素的物质形成的,最终又均可以分解为含有这3种元素的H2O和CO2。本文按照上述新思路,以黑土为例探讨了胡敏酸(HA)、富里酸(FA)形成转化的驱动因素和热力学稳定性的研究方法,用元素组成-土壤条件参数法计算HA、FA的logKR和ΔGfθ及热力学稳定性范围。同时通过土壤添加有机物料的模拟培养实验研究了氧气和二氧化碳等单因素对HA和FA数量积累的影响。结果表明,黑土HA和FA的元素组成分子式分别为nC21H21O9N和nC24H33O17N。FA在缺氧、多水和高浓度二氧化碳条件下较稳定;HA则相反。培养实验中,高二氧化碳和低氧气浓度处理使FA与HA的相对比例增加。这一研究方法和结果将有助于解释和推测土壤腐殖质组成的空间变异规律,指导土壤肥力、土壤固碳的调控实践。     

水稻秸秆燃烧对土壤有机质组成的影响研究

研究生物质(水稻秸秆)燃烧行为对土壤有机质含量和组成的影响,探讨不同燃烧次数下土壤中胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、水溶性有机质(DOM)的含量和结构特征的变化情况。结果表明:土壤有机碳的变化仅在土壤表层几厘米以内,随燃烧频次增加土壤有机碳含量减少量增加,而水溶性有机质及组分则呈现不断增加的趋势。不同来源土壤的腐殖物质对生物质燃烧作用的响应不同,3种供试土样中腐殖物质随不同次数同强度秸秆燃烧并未呈现较一致的变化趋势,但每一种土壤的HA和FA含量及HA/FA、E4/E6值均随燃烧频次的增加呈现规律性的升高或者降低,而且FA含量的变化是影响HA/FA值大小的主导因素。此外,通过红外光谱图可知,随燃烧频次增加,FA中芳香性成分和含脂肪族C—OH、C—O物质增加,而HA由于本身芳香缩和度高而无明显变化。