畢業(yè)設(shè)計（論文）-提取碳水化合物后土壤團聚體中可氧化態(tài)有機碳分布特點國內(nèi)外現(xiàn)狀研究

貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）第頁提取碳水化合物后土壤團聚體中可氧化態(tài)有機碳分布特點1.文獻(xiàn)綜述1.1研究目的意義近年來，土壤碳儲庫日益受到關(guān)注[1]，且有許多研究試圖闡明土壤對全球碳循環(huán)的影響[2]。研究表明[3,4,5,6,7]，土壤有機碳含量約占陸地生物圈碳庫的2/3，而每年進(jìn)入土壤儲存的和以CO2形式釋放的碳量約占土壤有機碳總量的4%，土壤有機碳在很大程度上影響土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性、土壤的持水性能、植物營養(yǎng)的生物有效性以及土壤的緩沖能力和土壤生物多樣性等，緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化以及土壤生產(chǎn)力有關(guān)的一系列土壤過程。由于土壤有機碳儲量的巨大庫容，其較小幅度的變化就可能影響到CO2向大氣的排放，以溫室效應(yīng)影響全球氣候的變化，同時也影響到大氣陸地植被的養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而對陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布、組分、結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深刻影響[8]。土壤活性有機碳是有機碳中比較活躍的組成部分，容易被氧化和分解，加強這方面的研究有利于對溫室效應(yīng)進(jìn)一步的了解。在土壤中，如果知道土壤活性有機碳的含量，就可以知道該種土壤中固定的非活性有機碳的含量，進(jìn)而可以了解這種土壤碳的庫容和固碳能力，對土壤的結(jié)構(gòu)、肥力水平以及植物營養(yǎng)有更加深刻的了解。貴州地處云貴高原，地形復(fù)雜多樣，是典型的喀斯特地貌，嚴(yán)重石漠化造成的水土流失與土地退化已成為制約這一區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。探討喀斯特山區(qū)水土流失特征，防治水土流失與土地退化，對解決貴州喀斯特區(qū)域的土壤匱乏，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，改善生態(tài)環(huán)境有十分重要的意義。在喀斯特地區(qū)分布最廣的兩類巖石是石灰?guī)r和白云巖。由這兩種巖石發(fā)育的石灰土和石質(zhì)土無論是總石漠化發(fā)生率還是各種程度石漠化發(fā)生率都是所有土壤類型中最高的，尤其是石質(zhì)土的石漠化發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類型，說明該區(qū)土壤的發(fā)生特點是導(dǎo)致石漠化形成的主要自然因素。因此研究這兩類巖石發(fā)育土壤中的可氧化有機碳具有非常重要的意義，對治理水土流失提供理論依據(jù)。本文選擇貴州花溪區(qū)喬木林下灰質(zhì)白云巖巖石發(fā)育土壤，通過土壤的有機質(zhì)(碳水化合物)含量測定對土壤團聚體進(jìn)行拆分，對各種情況下團聚體各個粒徑進(jìn)行有機碳，可氧化態(tài)有機碳測定。由此了解土壤團聚體不同粒徑中可氧化態(tài)有機碳的分布規(guī)律，從而進(jìn)一步分析土壤團聚體對土壤固碳有何種影響，團聚體中固定哪種粒徑才能更好地進(jìn)行土壤固碳，為土壤固碳提供基礎(chǔ)理論支撐；為科學(xué)地治理貴州的石漠化提供科學(xué)依據(jù)。1.2土壤團聚體與有機碳關(guān)系的研究 土壤有機碳的穩(wěn)定性主要受有機碳的難降解性、土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件及土壤分解者生物群落的影響。全面了解土壤有機碳的穩(wěn)定機制對于估計土壤有機碳的固定潛力，制定相應(yīng)的土壤管理措施，以提高有機碳固定，充分發(fā)揮土壤有機碳的生態(tài)功能等具有非常重要的意義。土壤團聚體的物理保護(hù)導(dǎo)致的生物與有機碳的空間隔離是土壤有機碳主要的穩(wěn)定機制之一[9]。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤的重要組成部分。土壤團聚體長久以來被作為土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的替代指標(biāo)。土壤團聚體在土壤中具有“三大作用”，即保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱、影響土壤酶的種類和活性、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層。表土中近90%的土壤有機碳位于團聚體內(nèi)[10]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動主要發(fā)生在土壤表層，因此表層土壤團聚體內(nèi)有機碳的研究對揭示保護(hù)那一層土壤中有機碳對提高土壤固碳作用具有重要意義。1.2.1土壤團聚體形成的研究團聚體形成和穩(wěn)定過程的研究自20世紀(jì)初就受到關(guān)注，并且涌現(xiàn)出很多強調(diào)有機碳作用的團聚體形成模型[11,12,13,14]。1982年Tisdall和Oades[11]提出團聚體的等級發(fā)育模型?？臻g和時間是該模型的兩個重要尺度，在空間尺度上，土壤團聚體由微團聚體向大團聚體逐級連續(xù)層次性形成，而在時間尺度上，膠結(jié)物質(zhì)從多糖(暫時穩(wěn)定)向菌絲根系(短時間穩(wěn)定)及芳香類物質(zhì)(持久穩(wěn)定)層次性變化。根據(jù)該模型，微團聚體比大團聚體穩(wěn)定，微團聚體的形成是大團聚體形成的前提條件，而各類有機碳是最重要的膠結(jié)物質(zhì)。Elliott[15]在美國北部草地土壤驗證了團聚體層次模型理論，認(rèn)為大團聚體比微團聚體包含更多易變的有機質(zhì)。 1984年Oades[14]對該模型作了重要改進(jìn)，認(rèn)為根系和菌絲可以直接促進(jìn)大團聚體的形成，微團聚體可以在大團聚體內(nèi)形成。該模型指出：大團聚體中心形成微團聚體。Angers等[16]的研究結(jié)果驗證了微團聚體是在大團聚體中形成的理論。他們在13C、15N小麥秸稈的田間培養(yǎng)試驗中觀察到，在分解初期，13C首先在大團聚體中累積，但隨后在大團聚體中逐漸下降，而在微團聚體中增加，13C隨著時間變化從大團聚體向微團聚體轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，說明微團聚體先在大團聚體中形成，然后從大團聚體中分解出來。這項研究一定程度上表明了土壤有機質(zhì)在土壤團聚體中的轉(zhuǎn)移途徑。1.2.2土壤團聚體與有機碳固定關(guān)系的研究土壤團聚過程是土壤固碳最重要的途徑之一[17]。Six等[18]從土壤屬性本身的保護(hù)機制出發(fā)，把土壤固碳的理論最大量稱為固碳潛力。Campbell等[19]通過長達(dá)30年的定位研究發(fā)現(xiàn)，在有機碳含量豐富的土壤中，土壤有機碳含量并不隨碳的輸入而增加，而是穩(wěn)定在某一特定值上。Chung等[20]研究表明，與碳輸入量相比，土壤有機碳水平更能影響土壤對外源有機碳的固定。Gulde等[21]進(jìn)一步提出，土壤對有機碳的固定存在一個飽和值，一旦達(dá)到此值，即使向土壤輸入再多的碳，土壤有機碳含量也不會再增加。2007年Kool等[22]提出土壤碳飽和的等級模型，指出不同粒級的團聚體存在不同的碳飽和值，并且按照團聚體由小到大的順序依次飽和。在后來土壤固碳潛力的研究中，引入了土壤碳飽和赤字的概念，土壤碳飽和赤字是指土壤有機碳理論飽和值和土壤現(xiàn)有有機碳含量之差，土壤飽和赤字的大小決定土壤的固碳效率(△SOC/△Cinput)。土壤對有機碳的固定是有限的，并且土壤飽和赤字越大，土壤的固碳潛力就越大，土壤固定有機碳的效率就越高。因此對土壤固碳潛力的估算顯得尤為重要。目前關(guān)于土壤固碳潛力的計量方法主要有以下幾種：(1)長期定位試驗結(jié)果外推法；(2)歷史觀測數(shù)據(jù)比較法；(3)土地利用方式對比法；(4)土壤有機碳周轉(zhuǎn)模型法。1.2.3土壤團聚體的分離方法干篩法和濕篩法是目前團聚體研究常用的兩種方法。由于干篩得到的結(jié)果重復(fù)性差，濕篩的結(jié)果相對穩(wěn)定，故濕篩法最為常用。但濕篩篩分團聚體也有其不足之處：(1)由于離子水化作用、土粒內(nèi)空氣壓力、膨脹作用以及膠結(jié)物在水中的溶解性容易導(dǎo)致團聚體的破裂；(2)對微生物群落造成一定程度的破壞；(3)由于水溶性碳的損失，低估了團聚體碳庫[23]。因此，在實踐中一定要根據(jù)研究目的選取合適的篩分方法進(jìn)行團聚體分離。研究團聚體中有機碳，人們大多采用濕篩法。在Six等[24,25]的系列研究中，一般將土壤分成4個粒級：>2000μm、2000-250μm、250-53μm和<53μm。土壤的預(yù)處理、土壤含水量以及含沙量是影響水穩(wěn)性團聚體測定的主要因素[26]。基于對以上影響因素的考慮，人們發(fā)現(xiàn)將土壤樣品過8mm或10mm篩后進(jìn)行風(fēng)干，篩分完畢后進(jìn)行含沙量的測定可以減少以上因素的干擾。濕篩前用去離子水浸泡5min，可以驅(qū)除團聚體內(nèi)的閉塞空氣，防止團聚體氣爆。1.3土壤團聚體中可氧化態(tài)有機碳的研究土壤有機碳包括活性有機碳和非活性有機碳[27,2]。土壤活性有機碳是指在一定的時空條件下，受環(huán)境條件影響強烈、易氧化分解、對植物和微生物活性比較高的那一部分土壤碳素。由于土壤高的背景值和較大的空間異質(zhì)性，土壤有機碳的微小變化很難發(fā)現(xiàn)。因此，土壤有機碳的活性部分，不是土壤有機碳的全量，它是指示土壤有機碳狀態(tài)較有用的指標(biāo)[29,30,31]。土壤活性有機碳含量的高低直接影響土壤微生物的活性，從而影響溫室氣體的排放[32,33]。而土壤的可氧化態(tài)有機碳又叫有效碳、水溶性有機碳、易氧化碳、可礦化碳、微生物量碳等[34]。盡管這部分碳素的在土壤活性碳中所占比例很小，但它對土壤碳素的轉(zhuǎn)化卻很重要，而且與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān)[8,36]。研究表明[6,38]，土壤可氧化態(tài)有機碳是衡量土壤有機質(zhì)的敏感性指標(biāo)，可以指示土壤有機質(zhì)的早期變化。并且土壤的可氧化有機碳與大氣的溫室效應(yīng)有很大關(guān)系.因此土壤的可氧化態(tài)有機碳研究受到很大的關(guān)注。1.3.1可氧化態(tài)有機碳的測定方法國內(nèi)外有關(guān)活性土壤有機碳庫的測定方法很多，概括起來可分為三大類：一類是物理分組法，一類是化學(xué)法，第三類是微生物學(xué)方法[39]。國內(nèi)如袁可能提出的K2Cr207氧化法[40]，李酉開提出的稀釋熱法(水合熱法)[41]。國外如Logninow等[42]提出的KMnO4氧化法，他們根據(jù)有機質(zhì)被三種不同濃度的KMnO4(33mmol·L-1、167mmol·L-1、333mmol·L-1)氧化的數(shù)量，把易氧化有機質(zhì)分成3個程度不同的級別。此方法假設(shè)KMnO4在中性條件下對土壤碳的氧化作用與土壤微生物和土壤酶的作用類似；氧化中KMnO4下降的濃度越低，說明土壤有機成份活性越大。Blair、Lefroy等研究發(fā)現(xiàn)這3個級別活性有機質(zhì)中，能被333mmol·L-1KMnO4氧化的有機質(zhì)在種植作物時變化最大，故將能被333mmol·L-1KMnO4氧化的有機質(zhì)稱作活性有機質(zhì)(Labileorganicmatter,LOM)，不能被氧化的稱作非活性有機質(zhì)(Non-labileOM,NLOM)。國內(nèi)外高級刊物中最常用的是化學(xué)氧化法，且以袁可能法和333mmol·L-1KMnO4氧化法出現(xiàn)最多。但用于測定的土壤粒級不一樣，例如袁可能法建議土壤風(fēng)干過0.15mm篩，李酉開法和333mmol·L-1KMnO4氧化法則用過0.5mm篩的風(fēng)干土，粒徑選擇的差異對不同研究結(jié)果的比較造成了一定的困難。1.3.2可氧化態(tài)有機碳與土壤的關(guān)系土壤可氧化態(tài)有機碳的含量主要取決于土壤的通氣情況，以及土壤的通透性，與粘粒的相關(guān)性不顯著[42]。許多研究表明[43,44]，土壤可氧化態(tài)有機碳與土壤質(zhì)地具有較好的關(guān)系，因此研究土壤可氧化態(tài)有機碳對治理水土流失有很大的幫助。而且土壤的可氧化有機碳的含量與土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)有一定的相關(guān)性[45,1]。并與土壤的養(yǎng)分含量改變有極大相關(guān)性[1,47]，土壤中各類有機碳與全氮含量存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明土壤的速效磷、全氮、速效鉀的含量越高，則土壤可氧化有機碳的含量越低[48]，而經(jīng)過0.333mol·L-1和0.167mol·L-1高錳酸鉀處理可氧化有機碳與土壤的速效磷、全氮、速效鉀的含量存在著極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[49]。因此，土壤可氧化態(tài)有機碳的研究對保護(hù)土壤養(yǎng)分，阻止土壤養(yǎng)分流失也會起到相當(dāng)大的指導(dǎo)作用?？裳趸瘧B(tài)有機碳研究與土壤團聚體聯(lián)系是有機碳研究新的方向，隨著人們對土壤固碳的深入研究，逐漸認(rèn)識到土壤團聚體不僅是土壤肥力的重要指標(biāo)[46]，也是土壤有機碳穩(wěn)定和保護(hù)的載體[37]，土壤有機碳的固定效應(yīng)與團聚體的保護(hù)機制密切相關(guān)。有報道認(rèn)為土壤有機碳含量與粘粒含量呈顯著正相關(guān)，并提出了土壤碳保護(hù)容量和土壤碳飽和差概念，用以說明粘粒的物理保護(hù)作用對土壤有機碳儲存潛力的影響。但也有資料顯示土壤有機碳含量與粘粒間的關(guān)系不顯著[51]，而與團聚體密切相關(guān)。由于土壤團聚體具有特定的孔隙特征，能夠保護(hù)其內(nèi)部存在的有機碳，使得不同粒徑團聚體中的有機碳不僅在數(shù)量上存在差異，在穩(wěn)定性方面也不盡相同。因此，了解不同粒徑團聚體中有機碳，可氧化態(tài)有機碳的分布狀況會更好的幫助了解土壤中碳素的分布，也對人們更好的保護(hù)土壤碳起到指導(dǎo)作用，為溫室效應(yīng)的治理提供些理論依據(jù)。1.4土壤團聚體中碳水化合物的研究碳水化合物是土壤中主要的粘質(zhì)，對于穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)起著重要的作用。它們經(jīng)常以凝膠或纖維的形式存在于根系和微生物的周圍，并不沿著空隙流動。這些糖類物質(zhì)將流動的各種粘土、離子等粘結(jié)在一起，穩(wěn)定了土壤結(jié)構(gòu)(OadesJM,2000)，對保持土壤環(huán)境穩(wěn)定和防止水土流失有重要作用。碳水化合物與粘土礦物的共同作用使顆粒穩(wěn)定，粘土礦物與有機質(zhì)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質(zhì)使兩者之間的相互作用更加穩(wěn)定。碳水化合物具有粘性，同樣可以吸附粘土礦物，使它們的相互作用更加穩(wěn)定。除此之外，碳水化合物的羥基可以通過氫鍵與粘土礦物表面的羥基相互作用，但這種作用很微弱。粘土膠體的雙電層中帶有正電荷，而碳水化合物通常以帶負(fù)電荷膠體的形式存在，兩者可以通過靜電引力相互吸引。吸附在粘土礦物表面的多價陽離子可以通過化學(xué)鍵將粘土與碳水化合物連接起來。參考文獻(xiàn)[1]李淑芬,俞元春,何晟.等.土壤溶解有機碳的研究進(jìn)展[J].土壤與環(huán)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,andmicrocl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