论文部分内容阅读
土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库,其碳储量是大气碳库的3.3倍,生物碳库的4.5倍。在土壤碳循环过程中,土壤碳组分的变化能够反映出陆地生态系统碳输入和输出的平衡,可以更好地预测土壤碳库对全球变化的响应。土壤酶和土壤微生物在土壤中较为活跃,它们与土壤碳循环密切相关。作物可以同化大气中的二氧化碳（CO2）,将部分光合产物以根际沉积物的形式进入土壤,给土壤微生物提供主要碳源和能量;土壤酶和土壤微生物则能够将有机态养分转化成无机态,利于植物吸收利用或以有机碳（SOC）的形式存储于土壤中。土壤无机碳（SIC）是干旱盐碱地土壤碳库的主要存在形式,以往的研究多集中在土壤有机碳组分,而对土壤无机碳的研究较少。土壤盐碱化是引起土壤退化的主要问题之一,对农业的可持续发展产生了负面影响,对该地区的生态环境和经济发展造成了严重的威胁。本研究在对野外环境调查以及实验室测试分析的基础上,选取吉林省西部典型盐碱玉米和水稻样地作为采样点,对玉米和水稻生长过程中根际土壤（RS）和非根际土壤（NS）以及不受耕作影响的底土层土壤（BS）中土壤碳组分的含量变化规律进行研究,通过对实验数据的统计分析,明确盐碱土区玉米和水稻土壤理化性质、土壤酶活性、土壤微生物数量和土壤微生物碳源利用的变化特征,并建立多元逐步归回模型,揭示环境因子对RS、NS以及BS土壤碳组分的综合作用。全面了解土壤碳循环和转化过程以及循环和转化的影响因素,能够更好地维持吉林西部盐碱农田的可持续性发展。主要研究结果如下:（1）SOC和SIC含量在成熟结实期（Ⅲ期）时含量最高,微生物量碳（MBC）、溶解性有机碳（DOC）和易氧化有机碳（ROC）含量均在生长旺盛期（Ⅱ期）时含量最高,生长幼苗期（Ⅰ期）最低。玉米和水稻各生育期土壤碳组分含量整体表现为RS＞NS＞BS,土壤SOC、MBC、DOC、ROC和SIC含量整体上均随着盐碱程度的增大而降低。种植水稻比种植玉米有利于提高土壤SOC、MBC、ROC含量,水稻生长对增加土壤SOC、MBC、ROC含量更明显,更有利于土壤固碳。种植玉米和水稻均增加了土壤DOC和SIC含量,但种植玉米和水稻相比对于提高土壤DOC和SIC含量差别不大。（2）在玉米和水稻样地RS、NS和BS土壤过氧化氢酶（CAT）、蔗糖酶（INV）和淀粉酶（AMY）活性在Ⅱ期时活性最高,而土壤多酚氧化酶（PPO）活性均在Ⅱ期时最低,在Ⅲ期时最高。玉米和水稻土壤各生育期CAT、INV和AMY活性整体表现为RS＞NS＞BS,玉米和水稻样地土壤PPO活性整体表现为RS≈NS＜BS。在盐碱胁迫下,玉米和水稻样地土壤CAT、AMY、INV会受到抑制,但PPO活性随着盐碱程度的增大而升高。种植玉米和水稻提高了土壤PPO活性,但土壤CAT、INV、AMY活性在作物生育期前后进行对比,没有发现统一的变化规律。（3）在玉米和水稻样地土壤细菌（BAC）、真菌（FUN）和放线菌（ACT）数量平均值变化情况均在生长旺盛期时最高,在生育期前后土壤BAC、FUN和ACT数量没有统一的变化规律。玉米和水稻各生育期土壤BAC、FUN和ACT数量整体表现RS＞NS＞BS中最少。在玉米和水稻样地不同生育时期RS、NS和BS中土壤BAC和ACT数量变化规律整体上随着盐碱程度的增大呈现先增大后降低的趋势。在玉米和水稻样地中土壤FUN数量均随着盐碱程度的增大而逐渐降低。玉米样地土壤BAC、FUN和ACT数量均高于水稻样地。（4）玉米样地土壤中微生物代谢活性随盐碱程度的增大呈现先升高后降低的变化趋势,水稻样地呈现逐渐降低的变化趋势,玉米样地土壤微生物代谢活性整体上高于水稻土壤。玉米RS和NS中土壤微生物代谢活性在Ⅱ期最大,BS土壤微生物代谢活性在Ⅲ期时最大。水稻RS、NS和BS中土壤微生物代谢活性在Ⅲ期最大,在Ⅰ期最小。玉米和水稻RS、NS和BS中土壤微生物Shannon指数和Simpson指数均随土壤碱化度升高而降低。玉米在Ⅱ期时土壤微生物群落多样性指数最高,水稻在Ⅲ期时土壤微生物群落多样性指数最高。（5）玉米和水稻样地RS、NS和BS中微生物对31种不同碳源的代谢能力不同,且差异较大。能被玉米根际、非根际和底土土壤中微生物主要利用的碳源有6种为吐温80、L-丝氨酸、L-苏氨酸、α-D-乳糖、N-乙酰基-D-葡萄胺和衣康酸。能被水稻根际、非根际和底土土壤中微生物主要利用的碳源有8种分别为D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖胺酸、丙酮酸甲酯、L-精氨酸、D-甘露醇、腐胺、α-环状糊精和I-赤藻糖醇。玉米样地中土壤微生物对6类碳源的整体利用率的平均值呈现碳水化合物类＞氨基酸类≈羧酸类＞聚合物类＞胺类＞酚酸类。水稻样地中土壤微生物对6类碳源的整体利用率的平均值呈现碳水化合物类＞羧酸类＞聚合物类＞氨基酸类＞胺类＞酚酸类。（6）在玉米和水稻样地43个环境变量因子中p H、ESP、SSC、EC和SWC均为模型筛选出的对玉米和水稻土壤碳组分影响较大理化性质因子。在土壤酶中CAT、INV、AMY和PPO为模型筛选出的对玉米土壤碳组分影响较大的土壤酶因子。PPO对水稻样地碳组分的影响较小,在筛选过程中被剔除。D-纤维二糖、D-半乳糖醛酸、4-羟基苯甲酸、腐胺、D-甘露醇、γ-羟基丁酸和N-乙酰基-D-葡萄胺、2-羟基苯甲酸、γ-羟基丁酸、衣康酸为模型筛选出的分别对玉米和水稻土壤碳组分影响较大的微生物碳源利用因子。BAC、FUN和ACT为模型筛选出的对水稻土壤碳组分影响较大的微生物因子。环境因子通过多元逐步分析模型能够较好拟合土壤中碳组分含量的变化。