有机物料和氮添加对宁夏沙化土壤碳矿化的影响

庞 飞, 李志刚, 李 健

(1.宁夏大学 生命科学学院, 银川 750021; 2.宁夏大学 农学院,银川 750021； 3.宁夏林业研究院 种苗生物工程国家重点实验室, 银川 750004)

有机碳是土壤中最重要的组成成分[1]。土壤中固有有机碳和外源有机碳经过微生物分解释放CO2的数量与强度可以反映土壤质量状况以及评价环境因素或人为因素对其产生的影响[2-3]。土壤有机碳的矿化过程受水分、温度、管理措施、土壤理化性质等多种因素的影响[3]。目前国内外土壤矿化研究主要是草林地[4-5]、沼泽湿地[6]、农田[7]等，而关于沙化土地的研究则鲜有报道。

沙漠化是最主要的土地退化类型之一，宁夏沙化耕、林、草地占宁夏沙化土地的84%[8]。这些土地比较贫瘠，提高这部分土壤的肥沃程度对宁夏农林业生产和生态环境发展具有重要意义。土壤沙化的过程也是土壤中有机碳减少的过程[9]。土壤中的有机碳是微生物、土壤酶和矿物质的有机载体,它能增强土壤孔隙度、通气性和结构性,有显著的缓冲作用和持水作用。提高土壤中的有机碳是沙化土壤改良与修复过程中重要的环节。当前有通过外源性有机物料输入提高沙化土壤有机碳含量并取得较好效果的报道[10-11]，但关于通过有机物料添加对沙化土壤有机碳矿化影响的研究则很少。

近些年关于外源性氮输入对土壤有机碳矿化的影响因结果不同而存在争议[12-13]。氮素作为土壤中重要的营养元素，尤其在沙化土壤中，氮素的缺少是土壤微生物生长繁殖受限的因素之一，而微生物是碳矿化的重要参与者，关于氮添加对沙化土壤碳矿化及微生物生长影响的研究则少之又少。基于此，本试验进一步深化研究有机物料配施氮肥对沙化土壤有机碳矿化的影响。以期为宁夏当地及中国北方的沙漠化土壤生物修复提供的参考与数据支撑。

1　材料与方法

1.1　研究区域自然概况与材料

研究区位于银川腹部沙地(106°08′—107°22′E，38°28′—38°42′N，海拔约1 115 m)，地处我国西北内陆，为中温带半干旱大陆性气候,分布有流动沙丘，是宁夏的沙漠化地区。年均气温10.1℃，年均降雨量181.2 mm。年均蒸发量为1 882.5 mm[14]，处理之前的土壤及材料基本理化性质：土壤pH值8.97，有机碳含量为12.99 g/kg、全氮含量0.798 g/kg、全磷含量0.068g/kg、全钾含量16.51 g/kg。枝条有机碳535.0 g/kg、全氮3.7 g/kg，秸秆有机碳201.3 g/kg、全氮13.5 g/kg。

1.2　试验设计

本研究于2016年4月完成试验布置，采用裂区试验设计，以有机物料类型为主处理，氮肥水平为副处理。主处理包括不添加(N)、添加枝条(B):5 g/kg(土)、添加秸秆(S):5 g/kg(土)，副处理包括4个氮水平(以纯氮计):N0,0 mg/kg;N1,40 mg/kg(为当地的沙地农林生产正常施用量);N2,50 mg/kg;N3,60 mg/kg，共12个处理，每个处理3个重复。

1.3　室内培养与测定

本试验采用室内培养法碱液吸收法测定土壤有机碳的矿化量。将采集于试验区的沙化土壤自然风干后过2 mm筛，一部分用于测定土壤基本性质。一部分用于矿化试验。具体操作是将培养土样100 g装到1 000 ml的密闭培养瓶中，然后将粉碎至1 cm左右林木枝条、玉米秸秆分别添加后摇荡混匀再将不同水平氮肥(以尿素溶液的形式)一次性添加并调节土壤含水量至田间最大持水量的60%。同时将盛有10 ml浓度为0.1mol/L NaOH溶液的小烧杯放入到培养瓶，在25℃暗室下控温控湿培养。培养期间每隔3 d采用称重法补充水分。在培养的第1 d，3 d，7 d，14 d，22 d，30 d，40 d，55 d，75 d，105 d取出小烧杯，重新放入另一个盛有10 ml浓度为0.1 mol/L NaOH溶液的小烧杯，进入下一个培养时期，取出的NaOH溶液用0.05 mol/L的HCl标准溶液滴定，根据消耗的HCl的体积计算CO2-C释放量，土壤碳矿化量用CO2-C g/kg(干土)表示。培养结束后土样用于测定土壤碳、氮、微生物性质，有机碳的测定采用重铬酸钾外加热法[15]。全氮的测定采用FOSS凯氏定氮仪测定。微生物量碳、氮的测定采用氯仿熏蒸浸提法[16]。土壤过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法[17]，纤维素酶的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[17]；脲酶的测定采用苯酚钠—次氯酸钠比色法[17]。

1.4　数据分析

数据处理采用SPSS 17.0和Excel 2013软件进行统计分析、作图。用Duncan法进行多重比较。

2　结果与分析

2.1　秸秆、枝条配施氮肥下土壤中有机碳的矿化速率

各处理CO2释放速率随时间的动态变化如图1所示。N，B，S处理土壤呼吸速率均在第1天达到最大值。在同一氮水平下，各类处理矿化速率呈现S>B>N趋势。在同一种有机物料添加处理下，N，B处理的矿化速率均呈现N3>N2>N0>N1趋势，S处理出现N3>N2>N1>N0趋势，且N2, N3水平矿化速率显著高于N0的矿化速率(p<0.05)。各处理土壤CO2释放速率均随培养时间的延长呈快速下降趋势，至第3 d时下降了72.47%～96.54%(N)，55.58%～63.43%(B)，65.92%～75.38%(S)。后略有上升(除N)，N处理在14～30 d，SN3在30～40 d出现第2个小高峰，之后各处理总体上逐渐降低至一个稳定水平。从105 d平均矿化速率看(图2)氮素添加对土壤有机碳矿化动态的影响较大(p<0.05)，当施氮量从N0升高至N3时，土壤有机碳矿化速率由0.024～0.029 g/(kg·d)增加到0.03～0.04 g/(kg·d)(p<0.05)。B，S处理与N相比之间的差异不显著，并且B，S处理之间差异也不显著。

图1枝条、秸秆配施氮肥下处土壤CO2的动态变化

图2　秸秆、枝条配施氮肥下土壤碳矿化平均速率

2.2　秸秆、枝条配施氮肥下土壤中有机碳的累积矿化量

如图3所示，105 d培养周期内各处理土壤有机碳累积矿化量为0.65～0.88 g/kg(N)，0.58～0.99 g/kg(B)，0.63～1.44 g/kg(S)。同一氮水平下，各处理N0水平呈S>N>B，而在N1，N2，N3水平则呈现S>B>N，并且在N3水平B，S处理碳矿化量显著高于N处理碳矿化量(p<0.05)。同一种有机物料添加处理下，N处理有机碳矿化累积量呈现N2>N1>N0>N3，B，S处理则出现N3>N2>N1>N0趋势，且N2,N3水平下有机碳累积矿化量显著高于N0水平有机碳累积矿化量(p<0.05)。前30 d的累积矿化量占整个培养时期的57.97%～69.09%(N)，62.22%～71.04%(B)，58.28%～72.30%(S)，由图2可知添加氮素后有机碳矿化量明显增加，而添加有机物料的处理在N2，N3水平的氮添加下有机碳矿化量有显著变化。

图3　枝条、秸秆配施氮肥下处土壤CO2-C的累积动态变化

2.3　秸秆、枝条配施氮肥下土壤碳、氮、微生物性质

表1所示各处理的有机碳、全氮含量不同。在同一氮水平下，各处理有机碳、全氮含量呈现S>B>N，其中S处理的有机碳含量显著高于N处理的有机碳含量(p<0.05)。同一有机物料添加下，随着施氮水平的提高各处理有机碳、全氮含量呈提高或先升高后降低趋势，其中B，S处理在N2，N3水平有机碳含量显著高于N0水平的有机碳含量(p<0.05)。各处理碳氮比在9～16.05。土壤微生物量碳、氮是土壤有机碳中最为活跃、最易变化的部分，是土壤中易于利用的养分库[18]。本试验各处理在同一施氮量下微生物量碳、氮含量、土壤酶活性呈S>B>N趋势(除N0水平下的纤维素酶、N1水平下的微生物量碳、N2水平下的微生物量碳、纤维素酶以及N3水平下的微生物量碳外)。与N处理相比，S处理的微生物量碳氮含量、酶活性显著提高(p<0.05)，在N0，N1，N2水平下，S处理的微生物量碳含量分别是N处理微生物量碳含量的4.93，4.85，3.91倍。同一种有机物料添加下，各处理微生物量碳氮含量、土壤酶活性随施氮量的增加出现先提高后降低的趋势(除了N处理的过氧化氢酶、B处理的脲酶、S处理的过氧化氢酶、脲酶外)，其中N2水平的微生物量氮提高最显著(p<0.05)。

2.4　有机碳矿化量、有机碳、氮、微生物性质相关分析

土壤碳矿化与土壤含有的有机碳、氮含量及土壤微生物存在密切关系。有机碳矿化反映土壤中碳、氮含量变化及微生物活性质，而土壤碳、氮含量及微生物性质决定土壤有机碳矿化的过程[18]。表2所示土壤有机碳累积量、平均矿化速率、碳、氮、微生物量碳、氮及酶活性间相关关系。土壤碳累积矿化量、平均矿化速率与有机碳、全氮、微生物量碳、氮、酶(脲酶除外)活均关系极显著(p<0.01)，其中有机碳累积矿化量与纤维素酶相关关系最高为0.857，而平均矿化速率与微生物量碳、氮相关关系最高。土壤有机碳、氮与土壤微生物性质同样呈极显著关系(p<0.01)。

表1　枝条、秸秆配施氮肥处理下土壤碳、氮、微生物量及酶活性

表2　碳积累量与碳、氮、微生物量碳、氮及酶活性的相关关系

表3　秸秆、枝条配施氮肥双因素方差分析

注：n=36。

3　讨 论

在本试验105 d的培养过程中。土壤有机碳矿化规律表现为:在培养初期(第1天)土壤的矿化作用最强，日矿化速率达到最大值，之后随着时间的延长矿化速率降低至稳定的状态，在前30 d各处理有机碳累积矿化量占整个培养期有机碳累积矿化量的57.97%～69.09%(N)，62.22%～71.04%(B)，58.28%～72.30%(S)，这与艾丽等[18]、王义祥等[19]、马昕昕等[20]等的研究结果相一致。前期土壤和有机物料中易分解组分会快速分解，使得大量养分迅速释放，提高了土壤中微生物活性，使得土壤中有机碳的矿化速率和矿化量迅速提高和增加，随培养时间的延长，在土壤及有机物料中的易分解组分被利用完后，微生物开始转向分解较难分解的组分，矿化速率随之减缓，有机碳分解量随之下降[21]。本试验同一施氮水平下，相对N处理，B处理、S处理矿化速率及有机碳积累量较高，整体呈S>B>N趋势，S处理的矿化速率及碳累积矿化量在N3水平显著高于N处理的矿化速率与矿化量(p<0.05)，这说明秸秆中的易分解成分较高。B处理的有机碳矿化量较S处理有机碳矿化量低，分析可能是短期内分解枝条的微生物群落并没有大量繁殖，也可能是枝条含有较多的木质素和其他难分解成分造成碳素释放较秸秆低,对微生物分解矿化有机碳的激发作用较小[22-23]。

氮肥添加对于土壤有机碳矿化的影响目前有诸多争议。Neff等[24]研究在添加氮肥后土壤有机碳矿化速率显著提高。Ji[25]等研究认为，氮添加能够促进植物生长和凋落物的分解，进而增加土壤碳矿化。莫江明[14]则认为添加氮肥后降低了土壤有机碳的矿化。Schimel等[26]的研究则表明添加氮素对土壤有机碳矿化没有影响，并分析是因为土壤有机碳矿化受胞外酶以及动力学影响。在本试验中，在同一种有机物料添加下，N处理随着氮肥水平的增加矿化量呈现先增加后降低的趋势，其中最高的N2处理是最低的N3的1.46倍。对于B，S的处理来说，都出现了随着氮水平的增加碳矿化量呈现提高的趋势，最高的N3处理是分别是最低的N0处理的1.74倍、2.29倍。表明氮肥的添加对于有机碳的矿化有促进作用，分析可能是外源氮源的添加使得原来受氮素营养限制的微生物的活性增强以及其群落的改变[27]。同时发现在低氮水平下添加有机物料对土壤有机碳矿化并没有显著影响。分析可能是低氮水平的添加能够促进土壤微生物内部的代谢过程[28]。分析图3则发现氮素的添加会显著提高土壤有机碳矿化的速率(p<0.05)，而添加秸秆或枝条则对有机碳矿化无显著的提高。说明对于沙化土中的分解有机碳的微生物，氮素是主要的限制因子，氮素的添加会促进土壤微生物的活性与数量从而提高了有机碳的矿化速率。N和B，S处理随着氮素水平的提高出现了不同的趋势。分析可能是有机物料本身性质影响，秸秆分解释放的碳、氮素较多，而枝条释放的碳、氮素则较低，同时对于不添加处理其会消耗土壤中原有的有机质短期内会促进有机碳的释放，而长期则会降低土壤有机碳的矿化速率，这些都会对有机碳矿化产生影响。

本试验在添加氮肥配施有机物料的情况下，土壤中的微生物量碳、氮以及酶活性随着有机物料的添加以及氮水平得到提高呈现不断增加或着呈现先增加在降低的趋势(N1，N2水平的脲酶除外)。说明了有机物料及氮肥的添加会促进土壤中碳、氮库、源的改变，营养元素含量及组分的变化以及物料添加到土壤中对微生物生存环境的改善都会影响微生物对土壤有机碳的分解矿化。而对微生物量碳、氮酶活性与有机碳累积矿化量的相关分析研究发现纤维素酶与累积矿化量的相关关系最为显著，也说明了微生物分解有机物料在有机碳矿化过程中发挥着重要的作用，同时进行的方差分析(表3)表明有机物料添加和氮肥的添加以及他们的互作作用整体上对沙化土壤碳、氮、矿化速率、土壤有机碳累积矿化量、微生物性质有极显著的影响(F>F0.01)。

4　结 论

各处理均在第一天出现了矿化速率的最大值，之后随着培养时间的增加矿化速率不同程度的降低。到第3 d时下降了72.47%～96.54%(N)，55.58%～63.43%(B)，65.92%～75.38%(S)。各类处理有机碳累积矿化量为0.65～0.88 g/kg (N)，0.58～0.99 g/kg(B)，0.63～1.44 g/kg(S)。

同一氮水平下各处理碳矿化量、微生物性质呈S>B>N。同一种有机物料添加处理下，各处理矿化量及微生物性质整体上随施氮水平提高呈先增加后降低或提高的趋势(不添加类的微生物量氮、脲酶除外)。土壤碳累积量、矿化速率与土壤碳、氮、微生物量碳、酶活均呈现极显著相关(p<0.01)。有机物料添加和氮肥添加以及他们互作总体上对有机碳的矿化速率、矿化量有极显著影响(F>F0.01)。总体来看添加有机物料以及氮肥随沙化土壤碳矿化有促进作用，其中SN3处理效果较其他处理好。

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1.1一般资料2014年4月至2016年4月我院对83例焦虑症患者开展了分析研究,将患者分成了实验组42例,参照组41例,实验组有14例男性和28例女性,最小22岁,最大45岁,平均(29.81±5.33)岁;参照组有15例男性,26例女性,最小22岁,最大47岁,平均(30.12±5.67)岁。两组的普通资料对比不存在统计学差异性,能够进行比较分析。

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