長期施肥下灰漠土溶解性有機質的穩(wěn)定機制研究.pdf

1、土壤溶解性有機質(DOM)在土壤和水環(huán)境中普遍存在，雖然只占了土壤總有機質很小的比例(3-6％)，但是作為土壤有機質中移動能力和活性最強的部分，DOM對土壤的物理化學特征以及土壤碳循環(huán)都起到非常重要的作用。自然條件下，DOM一般不是單獨存在的，土壤中的DOM約50％-70％與粘土礦物、鐵氧化物以及金屬陽離子結合以有機無機復合體的形式存在。DOM既可以通過表面的吸附和沉淀與礦物形成有機無機復合體，還可以通過克服礦物層間的伸縮能力，在礦物的

2、層間形成有機無機復合體。灰漠土壤是典型的干旱地區(qū)土壤，是新疆最主要的農(nóng)田土壤，大量研究表明不同施肥措施可以改變灰漠土壤有機碳的結構以及DOM組分。因此研究長期施肥措施下灰漠土壤有機質的累積特征從而發(fā)現(xiàn)灰漠土壤DOM穩(wěn)定的影響機制，對了解干旱半干旱地區(qū)土壤DOM的穩(wěn)定機制具有重要意義，有助于對土壤碳庫的深入了解與認識。本研究運用一維、二維紅外光譜(FTIR，2D-FTIR)、差熱分析(DTA-TG)、X射線衍射(XRD)、固體核磁共振(1

3、3C NMR)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、X射線光電子能譜分析和同步輻射(XAFS)等技術研究新疆灰漠土地區(qū)經(jīng)過22年連續(xù)不同施肥處理的土壤樣品(CK、NPK、NPKM、M)，從四個方面對灰漠土壤的DOM穩(wěn)定機制進行研究:長期不同施肥措施對灰漠土壤有機質結構和DOM組分的影響;不同施肥措施下土壤DOM與粘土礦物的插層復合特征;DOM與灰漠土中的金屬陽離子Ca2+的復合特征;DOM與灰漠土壤鐵氧化物的復合特征，為灰漠土地區(qū)合理培肥提供

4、有力理論證據(jù)。主要研究結果如下:
　　1、長期不同施肥處理的土壤有機質含量呈現(xiàn)顯著差異（P≤0.05）。有機肥配配施化肥處理（NPKM）和只施有機肥處理(M)處理的有機碳含量分別為14.77g/kg和16.50g/kg，均高于只施化肥處理(NPK)處理(12.02g/kg)，是不施肥對照(CK)處理的1.86和2.52倍。13C NMR結果表明，長期不同施肥土壤的有機碳結構發(fā)生了顯著改變。各施肥處理不同形態(tài)C原子的相對含量均表現(xiàn)出

5、同樣的趨勢:烷氧基碳＞芳香碳＞烷基碳＞羧基碳。與施肥處理(NPK、NPKM、M)相比，CK的烷基碳(18.20％)和烷氧基碳(43.37％)含量最高;與NPKM(8.98％)和M(9.97％)處理相比，NPK(12.21％)含有更高的烷基碳含量，烷基碳/烷氧基碳的比值大小順序為CK＞NPK＞M＞NPKM。長期不同施肥處理中土壤有機碳與重組有機碳(R=0.940，P＜0.05)和溶解性有機碳(DOC)(R=0.940，P＜0.05)呈顯著

6、正相關性。
　　2、利用DOM與Ca2+的吸附試驗研究DOM與金屬陽離子吸附過程中的穩(wěn)定機制。EEM結果顯示，長期不同施肥處理DOM中腐殖質的結構發(fā)生了改變。CK處理中，土壤DOM主要是類富里酸物質、少量的胡敏酸以及類蛋白質物質。與CK、NPKM和M相比，NPK施肥處理的增加了DOM中類富里酸物質和胡敏酸類物質，但減少了類蛋白質物質。與CK相比，長期施肥顯著改變了DOM中Ca2+、Fe3+、Al3+的濃度，其中Ca2+含量最高。D

7、OC含量與Ca2+含量(R=0.940，P＜0.05)呈顯著正相關性，與Fe3+(R=0.940，P＜0.05)、Al3+(R=0.940，P＜0.05)的濃度呈顯著負相關性。2D-FTIR結果顯示，NPKM和M處理中同時存在3428cm-1（碳水化合物的-OH）和1080cm-1（硅酸鹽的Si-O伸縮振動），這兩者是納米礦物的骨架結構，NPK處理未發(fā)現(xiàn)Si-O鍵。高分辨透射電鏡（HRTEM）結果表明長期施肥處理改變了DOM中納米礦物的

8、形態(tài)，NPKM和M處理以非晶形礦物為主，NPK處理以晶形礦物為主，此外NPKM和M處理形成了鈣的納米礦物。
　　3、通過一系列的室內(nèi)實驗研究了DOM與粘土礦物插層過程中的DOM穩(wěn)定機制，XRD結果表明長期不同施肥處理的DOM均發(fā)生了插層反應，插層物質有機碳含量的大小順序依次為NPKM(1.40g/kg)＞M(1.12g/kg)＞NPK(0.96g/kg)＞CK(0.74 g/kg)。不同施肥處理的插層物質結構組成大體一致，主要是:

9、糖類、碳水化合物、脂肪族、有機酸、蛋白質。FTIR結果表明，與NPK處理相比，NPKM和M處理中插層物質在1020cm-1（多糖C-O伸縮）特征吸收峰強度增強，而1420cm-1和1120cm-1（脂肪族化合物）處的特征峰強度明顯減弱。插層后，長期不同施肥處理礦物的比表面積均顯著增大，比表面積的大小順序依次為NPKM（14.24m2/g）＞M(13.56 m2/g)＞NPK(12.59m2/g)＞CK(12.34m2/g)。
　　

10、4、利用DOM與鐵氧化合物的吸附實驗研究DOM在礦物表面的吸附穩(wěn)定機制，實驗結果如下:在低的C/Fe(4-12)下，DOM中C的吸附量隨著C/Fe增大急速增長，當C/Fe達到12后，C的吸附量增長變緩，C的吸附量在C/Fe為20達到最高值70.1 mg/g。DOM-水鐵礦吸附復合體在低C/Fe(4-12)下，SSA從529.0m2/g急劇減少到379.5m2/g，而在比較高的C/Fe(12-20)摩爾比下，SSA減少緩慢。DOM-水鐵礦

11、吸附復合體的孔隙度表現(xiàn)出同樣的趨勢，在C/Fe為20時，微孔體積和中孔體積分別減少了90％和92％。FTIR的結果，與原DOM相比，DOM-水鐵礦吸附復合物多出了1500cm-1特征峰（芳香環(huán)的C=C伸縮振動），在1130cm-1（碳水化合物C-O伸縮振動）處的強度明顯減弱。二維紅外結果(2D-FTIR)表明，隨著C/Fe比值的增大，C=O鍵的對稱伸縮振動（1400 cm-1）和碳水化合物C-O伸縮振動(1130 cm-1)比較敏感，且

12、1400 cm-1的變化強度大于1130 cm-1，芳香的C=C在同等條件下先和水鐵礦結合。C1s NEXAFS的結果表明，與未處理DOM相比，DOM-水鐵礦吸附復合物的酚基C明顯減弱，酚基碳并未參加在水鐵礦表面的吸附。STXM(掃描透射電鏡X射線顯微成像)-NEXAFS（X射線近邊精細結構譜）顯示，DOM-水鐵礦吸附復合物中C和Fe在空間上是緊密聯(lián)系的，不存在單獨C的連續(xù)區(qū)域，未形成有機質層狀結構。
　　5、利用DOM與鐵氧化合

13、物的沉淀實驗研究DOM在礦物表面的沉淀穩(wěn)定機制，并與吸附穩(wěn)定機制進行比較，揭示DOM在鐵氧化物表面的不同穩(wěn)定機制。實驗結果如下:DOM與鐵氧化合物的沉淀實驗中，DOM與鐵氧化物的沉淀和吸附表現(xiàn)出相似的C復合特征，隨-C/Fe比值變大，DOM-Fe共同沉淀體的中C的含量從37.9mg/g增大到77.6mg/g，F(xiàn)e含量在52.1mg/g和19.6mg/g之間。且相同的C/Fe的比值下，沉淀共同體中C含量顯著高于吸附體。和DOM-水鐵礦吸附

14、復合體相似，共同沉淀體的比表面積，中孔體積以及微孔體積均隨著C/Fe比值的增大在減少，且相同C/Fe比值，DOM-水鐵礦吸附復合體的比表面積，中孔體積以及微孔體積更大。在低的C/Fe(4-12)下，DOM-Fe共同沉淀體的SSA從156.6m2/g急劇下降到2.1 m2/g，當C/Fe＞12后，SSA維持在2.1m2/g，MIV和MEV也分別穩(wěn)定在9.5mm3/g和15.0mm3/g，但是DOM-Fe共同沉淀體的C含量仍在增加，表明當C

15、/Fe＞12以后，有機質不再占據(jù)水鐵礦表面的孔隙來和水鐵礦結合，而是形成多層結構，這是DOM-Fe共同沉淀體和DOM-水鐵礦吸附復合體的最大差別。第一次利用同步輻射的XAFS方法對Fe(Ⅲ)-OM多層不可溶結構進行了定量，表明隨著C/Fe比值的增大Fe(Ⅲ)-OM多層結構的含量逐漸增加，在C/Fe為12時，F(xiàn)e(Ⅲ)-OM多層結構僅占了總的DOM-Fe共同沉淀體的重量的3.8％，但這一數(shù)值在C/Fe為20時達到11.1％。DOM與鐵氧化