無定形鋁氧化物對雷竹土壤有機質礦化的影響

劉國群

(柯城區(qū)土肥與農村能源技術推廣站，浙江 衢州 324000)

無定形鋁氧化物對雷竹土壤有機質礦化的影響

劉國群

(柯城區(qū)土肥與農村能源技術推廣站，浙江 衢州 324000)

通過對不同覆蓋年限的雷竹林土壤添加無定形鋁氧化物，進行室內培養(yǎng)，分析土壤有機質礦化，以及土壤微生物活性的變化，探討無定形鋁氧化物對土壤有機質礦化的影響。結果顯示，無定形鋁氧化物通過吸附及抑制微生物活性，抑制土壤有機質的分解。當土壤中有機質和無定形鋁氧化物的含量水平在一定范圍內時，無定形鋁氧化物對有機質分解的抑制作用主要通過抑制微生物的活性來實現。

無定形鋁氧化物； 土壤有機質； 分解轉化； 雷竹

雷竹(Phyllostachyspraecoxf.preveynalis)是浙江德清、余杭、臨安等地栽培的一種筍用竹種。種植戶為了使雷筍提前上市增加收益，往往采用稻草、秕谷等有機物覆蓋增溫的種植模式，使得雷竹林土壤在短時間內累積大量有機質。有機質在土壤肥力、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、全球碳平衡等方面有著重要的作用。南方紅壤中含有大量的鐵鋁氧化物及其水合物，相關研究表明，鐵鋁氧化物主要通過對土壤有機質的吸附[1-3]，以及土壤微生物和酶等途徑[4]影響土壤有機質的分解轉化。然而，相關研究主要針對自然環(huán)境下有機質緩慢積累的土壤，對人為造成的有機質快速積累的土壤的研究較少；同時，鐵鋁氧化物對有機質的吸附作用和對微生物活性的影響，哪種因素對有機質分解轉化起主導作用也缺乏深入探討。由于人為干擾，雷竹林土壤有機質在短時間內迅速積累。本研究擬通過室內培養(yǎng)的方法來探討無定形鋁氧化物對雷竹林土壤有機質分解轉化的影響及其可能機制。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣地位于浙江省臨安市，采樣點包括水稻田，和由水稻田改種的，種植時間分別為1、5、15 a的雷竹林。雷竹生長5 a左右，每年11月下旬到12月上旬，竹農在雷竹地表覆蓋一層10～15 cm稻草，然后再覆蓋一層10～15 cm礱糠用于提高土壤的溫度，促進雷筍早上市，直到翌年3—4月除去上層礱糠。土壤樣品采集深度為0～20 cm。

1.2 分析方法

土壤樣品采集后，在室內風干，然后研磨、過篩，備用。土壤pH、有機質、無定形鋁含量和陽離子交換量等常規(guī)項目測定參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[5]。土壤有機質組成結構采用13C NMR核磁共振分析，微生物活性測定采用熒光素二乙酸酯水解酶(FDA)法。

1.3 CO2釋放量測定

稱取無定形鋁氧化物0、0.1、0.5、1.0、2.0 g，分別加入到50 g土樣中(相當于每千克土加入無定形鋁氧化物0、2、10、20、40 g，分別記為Al_0、Al_2、Al_10、Al_20、Al_40)，混合均勻后放入容量為1 L培養(yǎng)瓶中，平鋪于培養(yǎng)瓶底部，加入蒸餾水，使含水量為田間持水量的60%，同時將盛有10 mL 0.1 mol·L-1NaOH的25 mL燒杯放在培養(yǎng)瓶中，然后將培養(yǎng)瓶密封，28 ℃恒溫培養(yǎng)，定期測定培養(yǎng)瓶中CO2釋放量。試驗設置空白對照，所有處理均設3次重復。

2 結果與分析

2.1 試驗土壤基本性質

從表1可以看出，水稻田改種雷竹后，土壤pH隨著雷竹種植時間的延長而顯著降低。土壤有機質含量在改種雷竹后有所降低，之后迅速提高。這是由于水田變旱地后，土壤含水量降低，通氣性能增加等，導致有機質分解速率加快；而在5 a后，竹農開始在土表覆蓋有機物，導致土壤表層有機質增加。土壤中全氮、C/N的變化規(guī)律與有機質的變化規(guī)律一致。土壤中全鋁含量以15 a雷竹土壤下降明顯，無定形鋁含量在供試土壤間無顯著差異。

表1 供試土壤樣品的基本性質

2.2 土壤有機質的結構特征

13C核磁共振圖譜的不同峰值代表不同的碳結構，峰的高度和面積表示該組成相對含量的高低。各供試土壤有機質13C核磁共振圖譜峰型比較一致，但峰的高度和面積存在差異，表明各土壤有機質的結構組成相類似，但各組成的相對含量不一樣。將圖譜各峰積分面積轉化為有機質不同組成的相對含量，可以清晰反映出有機質中不同碳組成的相對含量。從表2可以看出，水稻土有機質中烷基碳相對含量較高，芳基碳相對含量較低，改種雷竹后土壤有機質脂肪度降低，芳香度提高。

表2 不同種植年限雷竹林土壤有機質的相對組成 %

2.3 無定形鋁氧化物對有機質分解的影響

本試驗所用的無定形鋁氧化物的比表面積為225 m2·g-1。培養(yǎng)試驗在進行到43 d后，CO2的釋放量比較平穩(wěn)，隨著培養(yǎng)時間的延長釋放量不存在顯著性差異，所以在試驗進行到67 d時，結束試驗。

從圖1可以看出，土樣加入無定形鋁氧化物后，各土樣有機質分解產生的CO2量減少，且CO2的釋放量與無定形鋁氧化物的添加量呈顯著負相關。整個試驗過程，水稻土對照組CO2的釋放量為4 392 mg·kg-1土，Al_0、Al_2、Al_10、Al_20、Al_40組CO2的釋放量分別為4 062、2 632、2 160、1 890 mg·kg-1，有機質分解抑制率分別為7.49%、38.04%、50.79%、56.98%。1 a與5 a雷竹土壤上的試驗結果表現出與水稻土相似的趨勢。但是，當向15 a雷竹土加入2 g·kg-1無定形鋁氧化物時，CO2的釋放量為12 331 mg·kg-1，較對照的11 644 mg·kg-1增加了687 mg·kg-1，即低劑量的無定形鋁氧化物的添加不但沒有抑制有機質的分解，反而卻起到了促進作用。由此可見，無定形鋁氧化物對土壤有機質不僅是簡單的抑制作用，在某些情況下還可以促進有機質的分解轉化，具體作用機制有待進一步研究。

圖1 添加無定形鋁氧化物后土壤CO2累計釋放情況

2.4 無定形鋁氧化物對有機質的吸附作用

溶解性有機質是土壤有機質的活性部分[6]，在許多土壤化學及生物過程中起著重要作用，在280 nm波段內苯和酚類化合物發(fā)生π-π*的鍵能遷移[7-8]，因此該波段的吸光值可反映有機質中芳香碳的相對含量，即吸光值越大，芳香碳含量越高。從圖2可以看出，隨著無定形鋁氧化物的增加，各處理溶解性有機質的吸光值都降低，當無定形鋁氧化物添加量達到20 g·kg-1以后，吸光值趨于穩(wěn)定。據此推測，無定形鋁氧化物吸附了溶解性有機質，且在被吸附的這部分溶解性有機質中，芳香類有機碳所占的比例較大。

圖2 供試土壤礦化后溶解性有機質在280 nm處吸光度

2.5 無定形鋁氧化物對微生物活性的影響

采用熒光素二乙酸酯水解酶(FDA)法來反映土壤中總的微生物活性。從圖3可以看出，土壤中微生物活性隨無定形鋁添加量的增加而降低，但當無定形鋁氧化物的加入量從20增加到40 g·kg-1時，土壤微生物活性降幅較小。總體來看，向各供試土壤樣品添加不同劑量的無定形鋁氧化物后，土壤微生物活性變化與CO2累積釋放量的變化趨勢大體一致，暗示土壤微生物活性與CO2的釋放間可能存在一定的正相關性。

圖3 無定形鋁氧化物對微生物活性的影響

2.6 無定形鋁氧化物對有機質分解的影響機制

利用無定形鋁氧化物對微生物活性的抑制率與對有機質分解的抑制率的比值來表示微生物活性對有機質分解的貢獻率。從表3可以看出，向水稻土，以及1 a、5 a雷竹土分別加入10、20、40 g·kg-1的無定形鋁氧化物時，微生物活性對抑制有機質分解的貢獻率都在60%以上。由此可見，當土壤中有機質和無定形鋁氧化物的含量水平在一定范圍內時，無定形鋁氧化物對有機質分解的抑制作用主要是通過抑制微生物的活性來實現的。

表3 微生物活性對抑制有機質分解的貢獻率 %

3 討論

本研究以受到人為干擾，能在短時間內迅速積累大量有機質的雷竹土為研究對象，發(fā)現無定形鋁氧化物對此類土壤有機質分解具有抑制作用，且抑制率與無定形鋁氧化物的添加量表現出一定的正相關性。當土壤中有機質和無定形鋁氧化物的含量處于一定范圍時，其主要通過抑制微生物活性來影響土壤有機質的分解。

水稻田改種雷竹后，土壤有機質脂肪度降低，芳香度升高，說明有機質中穩(wěn)定態(tài)組成相對含量升高，有機質被土壤固定。本研究中，當向土壤中添加無定形鋁氧化物后，總體上是抑制土壤有機質分解的，但在15 a雷竹土壤中添加2 g·kg-1無定形鋁氧化物時，促進了有機質的分解，具體作用機制有待進一步研究。無定形鋁氧化物主要通過對有機質的吸附作用和影響制微生物活性來抑制有機質的分解，但本研究發(fā)現，對于不同的土壤和不同的無定形鋁添加量，這兩種作用機制對有機質分解抑制的貢獻率是不一樣的。在下一步的研究中，應細化有機質與無定形鋁的比例，深入探討其對有機質分解抑制的貢獻，以及可能的作用機制。

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(責任編輯：高 峻)

2016-12-09

衢州市農業(yè)廢棄物資源化利用創(chuàng)新項目

劉國群(1980—)，男，農藝師，碩士，主要研究方向為土壤學，E-mail：275817759@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170425

S153.2

A

0528-9017(2017)04-0626-03

文獻著錄格式：劉國群. 無定形鋁氧化物對雷竹土壤有機質礦化的影響[J].浙江農業(yè)科學，2017，58(4)：626-628.