土壤碳、氮循环对全球环境因子变化的响应

【摘要】：在全球气候和环境变化的大背景下，深入研究和探讨土壤有机碳动态对一些重要因素改变的响应——如，温度的升高、N沉积的增加以及土地利用的变化是当前生态学重要的研究内容和关注焦点之一。本论文重点研究了土地利用类型、气候变暖和N沉积对土壤C、N循环的影响。 由于可溶性土壤有机碳（DOC）的质量和数量可以作为土壤扰动的指示性指标，我们首先研究了土地利用类型（天然林地、草地和耕作用地）对DOC的数量和质量的影响。取样地点分别在具有相似气候的加拿大西部的阿尔伯塔和中国东北的黑龙江省。研究内容包括：可提取性DOC；DOC的紫外光吸收和腐殖质系数（HIX）；DOC的生物可降解性。此外，我们采用了固体13C核磁共振波谱仪分析测定了土壤有机质的化学结构，阐释了DOC的生物可降解性与土壤有机质化学结构之间的关系。研究发现加拿大与中国样地土壤DOC的紫外光吸收、HIX、生物可降解性以及土壤有机物质的化学组成在各个土地利用类型之间没有显著的不同。当把所有样地的土壤样品当做一个大样本分析时发现，DOC的可提取性与土壤有机碳的含量、羰基-C负相关，与氧烷基-C正相关；DOC的生物可降解性与土壤的C/N比正相关，与紫外光吸收和HIX负相关。表明土地利用类型对土壤有机物质的影响主要是在含量而不是活性碳的性质或是有机物质的化学组成，进而说明气候对这两个寒温带地区不同土地利用类型下可溶性碳和有机碳的性质起决定作用。 其次，我们研究了气温变暖，N沉积和土地利用变化及其交互作用对生态系统土壤C、N循环的影响，旨在揭示和探明温度、N沉积、N形态、土地利用类型以及这些因素的相互作用对土壤C、N矿化作用的机制和过程。重点通过室内原状土柱培养实验，分析在不同的土地利用类型（森林和草地）下，温度（15°C vs.25°C）、N形态（NH4-N vs. NO3-N）和沉积对土壤CO2释放、可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）、可溶性无机氮（DIN）产生的影响。结果表明：温度和土地利用类型影响土壤CO2的释放以及DOC、DON和DIN的浓度。N及其N形态与温度、土地利用类型间的相互作用对C、N循环指标没有显著的影响。温度和土地利用类型是影响土壤C流失的两个主要影响因素。相对于林地，草地土壤C更稳定。短期内N的沉积和形态对土壤C、N矿化的影响并不显著，表明可能存在一个N的临界值，只有超过这个临界值才能产生影响，关于这一点还需要通过长期试验才能进一步阐明N沉积对土壤C、N循环的影响，这也是今后研究的方向之一。 资料显示，在过去的一个世纪中人类活动使N沉积在大多数的生态系统中增加了一倍，而且这种趋势在将来的几十年内有继续增加的可能。N沉降是通过什么途径影响土壤有机碳循环的，这也是需要探究的内容之一。通过对比培养实验，研究了土地利用类型下，NO3-和NH4+对微生物酶（木质素分解酶和纤维素分解酶）活性的影响，以及对微生物功能结构的影响。结果表明，N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和多酚过氧化酶在森林土壤中有着较高的活性，而在草地土壤中相对较低，即在森林土壤中N的施加增加了纤维素二糖水解酶（CBH）的活性。AWCD和Shanon多样性指数H’的分析结果均表明森林土壤具有更高的微生物功能多样性。通过PCA分析两个主成分可以解释54%的底物利用的变异，在第一个主成成分中土地利用类型（森林和草地）有最大的负载值，在第二个主成成分中N有着最大的负载值。这一结论进一步证实土地利用转换和N沉降主要是通过影响微生物和酶活性进而影响土壤C、N循环。 【关键词】：土壤C、N 可溶性有机碳 土壤微生物酶 微生物多样性
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S154.1
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-37
• 1.1 引言13-14
• 1.2 土壤有机碳、氮循环过程14-20
• 1.2.1 土壤有机碳循环14-16
• 1.2.2 土壤氮循环16-20
• 1.3 影响土壤有机碳库的因素20-24
• 1.3.1 气候条件对土壤有机碳库的影响20-22
• 1.3.2 土地利用变化对土壤有机碳库的影响22-24
• 1.4 土壤有机碳的降解及其影响因素24-30
• 1.4.1 土壤有机碳的降解24-26
• 1.4.2 影响土壤有机碳降解的因素26-30
• 1.5 研究进展30-35
• 1.6 本文的研究内容35-37
• 第二章 加拿大与中国不同土地利用系统中可溶性碳性质和数量的相似性37-52
• 2.1 引言37-38
• 2.2 研究材料和方法38-42
• 2.2.1 选取样地和土样采集38-39
• 2.2.2 土壤有机碳和全氮的测定以及 DOC 的提取39
• 2.2.3 DOC 的芳香性和腐殖质系数的测定39-41
• 2.2.4 DOC 的生物降解性41
• 2.2.5 热水可溶性碳及多糖和酚的测定41
• 2.2.6 固体13C 核磁共振(NMR)分析41-42
• 2.2.7 数据统计分析42
• 2.3 结果42-48
• 2.3.1 在不同土地利用类型下 DOC 的浓度和可提取性42-44
• 2.3.2 在不同土地利用类型中 DOC 的光学性质及生物可降解性44
• 2.3.3 热水可溶性碳及其多糖与酚的含量44-46
• 2.3.4 ~(13)C- NMR 图谱46-48
• 2.3.5 DOC 与土壤有机碳性质之间的相关性48
• 2.4 讨论48-51
• 2.5 结论51-52
• 第三章 森林与草地生态系统中温度、N 沉积和 N 形态对土壤有机碳矿化和 DOM 产生的影响52-66
• 3.1 引言52-53
• 3.2 研究材料和方法53-55
• 3.2.1 试验样地53-54
• 3.2.2 土壤柱的采集和培养54
• 3.2.3 土壤 CO2通量54-55
• 3.2.4 土壤淋洗液的化学性质55
• 3.2.5 温度敏感性的计算55
• 3.2.6 数据统计55
• 3.3 结果55-63
• 3.3.1 土壤 CO2释放和 DOC的产生55-59
• 3.3.2 DON59-60
• 3.3.3 NH4-N 和 NO3-N60-61
• 3.3.4 土壤淋溶的化学性质61-63
• 3.4 讨论63-65
• 3.4.1 温度和土地利用类型对土壤 C 的影响63-64
• 3.4.2 培养温度和土地利用类型对土壤 N 的影响64-65
• 3.5 结论65-66
• 第四章 不同土地利用类型中土壤碳循环和微生物活性对 NO3-和 NH4+沉积的响应66-80
• 4.1 引言66-67
• 4.2 研究材料和方法67-70
• 4.2.1 采样地点67
• 4.2.2 土壤柱的采集和培养67-68
• 4.2.3 土壤酶的测定68-70
• 4.3 数据统计70
• 4.4 结果70-77
• 4.4.1 土壤 C、N 的释放70-72
• 4.4.2 土壤酶活性72-73
• 4.4.3 土地利用类型、N 对微生物多样性的影响73-77
• 4.5 讨论77-79
• 4.5.1 N 和土地利用类型对土壤 C 循环的影响77
• 4.5.2 微生物对土壤 C 利用的改变77-78
• 4.5.3 土地利用类型和 N 对微生物种群功能的影响78-79
• 4.6 结论79-80
• 第五章 结论与展望80-83
• 5.1 研究结论80-81
• 5.2 展望81-83
• 参考文献83-96
• 致谢96-97
• 作者简介97

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

CO_2浓度对番茄光合特性的影响    李荣华;Bjorn Martin;

VA菌根与植物矿质营养的研究进展    郝会军;刘英;王洪波;丁雪珍;

苏北不同杨树人工林经营模式下土壤呼吸日变化观测与测定方法比较    朱强根;张焕朝;单奇华;余健;

土壤呼吸的水热因子模拟及温度敏感性的探讨    邓爱娟;申双和;张雪松;李永秀;谢轶嵩;

天山中部林区主要林分类型土壤呼吸速率季节变化    刘华;臧润国;丁易;白志强;江晓珩;张炜银;

塔里木盆地荒漠植物与表土碳同位素组成研究    马剑英;陈发虎;夏敦胜;张慧文;

青藏高原草地生态系统碳通量研究进展    岳广阳;赵林;赵拥华;李元寿;

杜鹃花类菌根研究进展    张春英;戴思兰;

应用δ~(13)C值探讨林地土壤有机碳的分异    涂成龙;刘丛强;武永锋;王毅;

北温带干旱地区土壤-大气界面CO_2通量的变化特征    高程达;孙向阳;张林;李志刚;阿拉塔;

广州菜园土壤的微生物生态特征的研究    黎宁;李华兴;赵兰凤;朱凤娇;邝培锐;张育灿;林日强;

模拟氮沉降对华西雨屏区慈竹林土壤活性有机碳库和根生物量的影响    涂利华;胡庭兴;张健;何远洋;田祥宇;肖银龙;景建飞;

黄土高原半干旱区不同集雨补灌条件下玉米穗部性状分析    李兴;王勇;程满金;勾芒芒;

陆地生态系统土壤呼吸研究现状及进展    张丽萍;李学森;顾祥;任玉平;

广西发展低碳农业的潜力分析    苏晓波;兰宗宝;陆宇明;于平福;龙文卿;梁毅劼;

冬小麦返青-拔节期土壤的自养和异养呼吸研究    陈书涛;黄耀;

亚热带山地常绿阔叶林区土壤温度长期变化趋势及其对森林土壤呼吸的影响    张一平;游广永;沙丽清;刘玉洪;巩合德;罗尤勇;

土壤重金属污染对丛枝菌根真菌产孢量的影响    冯固;孔凡美;李晓林;史衍玺;

森林生态系统DOM的来源、特性及流动    杨玉盛;郭剑芬;陈光水;陈银秀;于占源;董彬;刘东霞;

Stepwise expansions of C_4 biomass and enhanced seasonal precipitation and regional aridity during the Quaternary on the southern Chinese Loess Plateau    Jimin Sun;Tongyan Lu;Zhenqing Zhang;Xu Wang;Weiguo Liu;

抗盐菌根菌Paxillus与吸水剂提高树木耐盐机制研究    李静

中亚热带山区土壤呼吸及其组分对土地利用变化的响应    盛浩

南极苔原温室气体通量时空变化规律与产生机理研究    刘雅淑

典型河口区氮循环过程和影响机制研究    林啸

北京北部山区不同林龄的油松和侧柏人工林碳库研究    曹吉鑫

长江源区高寒草地生态系统变化及其碳排放对气候变化的影响    白炜

黄土高原农业土地利用对土壤呼吸与有机碳贮量的影响    陈先江

澳大利亚三种森林类型土壤有效碳和氮库及相关微生物过程研究    鲁顺保

功能基因芯片（GeoChip）在两种典型环境微生物群落分析中应用的研究    谢建平

放牧强度和草地利用方式对内蒙古典型草原土壤氮矿化和凋落物分解的影响    单玉梅

不同气候梯度和酸雨胁迫强度影响下的凋落叶分解研究    郭培培

闽江口互花米草湿地甲烷与二氧化碳通量研究    鄂焱

中亚热带不同常绿阔叶林群落土壤呼吸及其影响因素研究    朱宁

华北南部低丘山地刺槐和侧柏人工林土壤微生物呼吸和根系呼吸特征研究    吕海燕

华北低丘山地不同土地利用方式土壤呼吸差异及其影响因素    王平

营养元素的添加对草原生态系统土壤碳过程的影响    徐淑新

不同水肥措施对设施菜地土壤CO_2和N_2O排放的影响    姜宁宁

黄土旱塬区不同覆盖措施对冬小麦农田土壤呼吸及作物水分利用效率的影响    官情

模拟酸雨及氮沉降分别对亚热带典型树种凋落叶分解的影响    洪江华

川滇高山栎组织碳氮代谢与萌生更新能力的关系研究    黄亚洲

广东省韶关市土地利用类型转移分析    肖捷;张美英;施临湘;

区域生态质量变化对土地利用类型转换的响应——以重庆市沙坪坝区为例    王利平;王成;李晓庆;雷田;

三江平原过去50年耕地动态变化及其驱动力分析    宋开山;刘殿伟;王宗明;张柏;金翠;李方;刘焕军;

基于分形理论的区域土地利用类型探讨——以重庆市沙坪坝区为例    张丽;杨庆媛;冯应斌;

土地利用类型与水分亏缺的风险程度关系——以北方农牧交错带黄土高原区为例    陈海,康慕谊

浙江突发性山地水土灾害与土地利用类型的相关性研究    陈和平,王深法,胡先松

松华坝水源区不同土地利用类型氮的输出规律研究    刘惠芳;王克勤;

岷江上游干旱河谷不同土地利用类型的土壤有机碳和易氧化态碳特征    刘正刚;裴柏洋;王宪帅;

2001-2008年福建省土地利用类型动态分析    许为一;

县域土地利用类型变化对国内生产总值的影响    舒锟;何腾兵;

基于土地利用类型的能值及环境承载分析——以京津冀地区为例    高江波;李双成;

珠三角地区土地利用类型与地表温度关系研究    牟雪洁;赵昕奕;

基于GIS的土地利用类型空间关系研究——以厦门市为例    林皆敏;

西藏拉萨地区土地利用类型空间格局分析    除多;

延安市宝塔区土地利用类型坡度分异研究    卓静;邓凤东;刘安麟;周辉;赵青兰;

基于名义变量的土地利用类型空间自相关探究    吕利娜;郑新奇;李志建;

福建省土地利用类型景观格局变化及驱动力分析    韦素琼;陈健飞;

陕西省耕地的时空变化特征    李团胜;

邻接土地利用类型对厦门城郊林下层植物多样性的影响    尹锴;崔胜辉;赵千钧;吝涛;花利忠;李新虎;

土壤碳、氮循环对全球环境因子变化的响应    孙尚华

吐鲁番市土地利用类型稳定性研究    谢力扎提·哈布尔

土地利用类型转变潜力评估分析    李耀

三峡库区典型土地利用类型及空间格局的环境效应研究    韩黎阳

雨城区土地利用类型变化对生态系统服务功能的影响研究    贾林平

微生物对鄱阳湖湿地不同围垦时间及土地利用类型的响应    黄莉

牡丹岭地区不同土地利用类型下土壤冻融变化特征分析    赵亚茹

河北省太行山区土地利用类型遥感解译及旅游区划研究    葛静茹

铅锌尾矿砂污染对不同土地利用类型土壤性质的影响    胡清菁

不同土地利用类型水源涵养服务特征及其时空动态    贾晓燕

南阳丹江口库区不同土地利用类型表层土壤水文物理性质研究    陈九美