不同有机物料对黑土复合体性质影响的差异性及其机理研究

发布时间：2018-10-17 16:19

【摘要】：土壤有机无机复合体是土壤区别于母质的基本特征之一,它易受外界因素影响,这主要是由于复合体中有机质易受影响,其中有机物料的作用最为突出。许多研究表明,有机物料的施用可以改善土壤物理、化学及生物学性质,从而提高土壤生产力。因此,利用有机物料进行农业生产既是农业自身物质及能量的循环,又是资源再利用的有效途径。然而,有机物料种类繁多,不同有机物料腐解产物中各种小分子有机化合物的组成及数量有所不同,势必导致其施用后对土壤性质产生不同影响。目前,国内外研究多集中于施用有机物料对复合体结构组成的影响,系统地比较相同条件下施用不同来源有机物料对黑土复合体性质影响的差异性研究较少。此外,国内外学者关于有机质中不同的小分子有机化合物与矿物,特别是砂粒等大颗粒矿物间相互作用的研究较少。这些小分子有机化合物是进入土壤中的动植物残体、植物根系分泌物经微生物的作用形成的产物。它们对于土壤微生物的活性、污染物的运输以及养分循环等过程有着重要影响。并且,最近有观点指出,土壤有机质并不是高分子聚合物,而是由各种简单的、可识别的小分子有机化合物组成的超分子化合物。因此,对于不同的小分子有机化合物与矿物间相互作用差异性的研究有着重要的理论及实际意义。针对上述问题,本文通过盆栽试验研究了施用四种不同来源有机物料(草本残体、木本残体、动物粪便、动物残体)对黑土复合体组成及性质影响的差异性。此外,利用葡萄糖、苯丙氨酸、柠檬酸分别模拟土壤中常见的三类小分子有机化合物,蒙脱石及石英玻璃分别模拟土壤矿物颗粒。利用批量吸附实验,结合现代仪器分析手段对不同小分子有机化合物与矿物作用机制进行研究。主要结论如下:1)与CK相比,动物粪便使胶体比表面降低7.33%,而动物残体提高了59.58%,木本残体提高了57.46%,草本残体提高了100.18%。pH6时,各处理土壤胶体表面可变电荷量(Q表面)的曲线大致相似,在pH6时,动物粪便与木本残体的Q表面曲线相似并且较高,而CK与动物残体Q表面的曲线大致相同且较低。在pH8-10时,动物粪便处理土壤胶体参比的表面电荷(Q参)与动物残体Q参的曲线大致相同并且较高。不同来源有机物料对黑土CEC的影响也有所差异。2)对于土壤松结态腐殖质来说,草本残体施入一年后可显著提高其含量。而动物粪便在第五年时显著提高松结态腐殖质含量。各有机处理联结态腐殖质含量表现为施入一年后显著降低。第三年时,各有机处理显著高于CK。第五年时,各处理间则无明显差异。光密度在第五年时才表现出明显差异,草本残体及动物残体显著高于其它处理。各有机处理对于稳结态腐殖质含量的影响无明显差异,但对其组成影响存在差异。施用有机物料一年后,紧结态腐殖质含量显著提高,但各有机物料之间差异不显著。随时间延长,各有机物料紧结态腐殖质含量仍高于CK,其中木本残体以及动物残体显著高于其它处理。草本残体施用一年后,松/紧显著高于其他处理,而木本残体以及动物粪便显著低于ck,随时间的延长各处理则无明显差异。3)草本残体处理的土壤ha脂族结构稳定性最强,而动物残体ha脂族稳定性最弱。动物残体处理的土壤fa脂族结构稳定性最弱,而木本残体fa中脂族结构稳定性强。施用有机物料使hmc缩合度、氧化度以及芳香度升高,脂族性提高。其中,以木本残体影响最明显。此外,有机物料使hmi的羟基含量及碳水化合物减少,而使其脂族性提高。并且,各有机处理间存在差异。施用有机物料显著降低黑土ha中c、h含量,并以木本处理作用最显著。动物残体可以降低黑土ha中o含量。此外,动物残体使fa中h含量显著降低。草本残体可以提高fa中n含量。有机物料的施用使hmi中c、h含量下降而o含量上升,以草本处理作用最显著。草本处理也使hmi中n含量降低。4)三种小分子有机化合物均可自发的与蒙脱石发生吸附反应。吸附位置既可以存在于表面,也可以存在于层间。三种有机小分子与蒙脱石发生吸附相互作用力有所不同。此外,葡萄糖的吸附量及吸附强度明显低于柠檬酸以及苯丙氨酸。elovich方程最适合描述葡萄糖、苯丙氨酸及柠檬酸在蒙脱石表面的吸附动力学。freundlich方程对蒙脱石吸附三种小分子有机化合物过程拟合效果最佳。然而,吸附反应的模型方程参数有所差异。与葡萄糖反应后,蒙脱石形状由近似球形变为块状。并且,颗粒排列相对紧密。而苯丙氨酸-蒙脱石以及柠檬酸-蒙脱石复合体的形貌特征均呈现出大的片状。小分子有机化合物使蒙脱石表面逐渐平整。其中,苯丙氨酸以及柠檬酸作用极为明显。5)不同小分子有机化合物在石英玻璃表面的自组装也存在差异。组装量表现为柠檬酸苯丙氨酸葡萄糖。elovich方程对于小分子有机化合物在石英玻璃表面组装的动力学拟合相关系数最高。langmuir方程最适合描述葡萄糖在石英玻璃表面的组装,freundlich方程最适合描述苯丙氨酸的组装,而temkin方程最适合描述柠檬酸的组装。此外,葡萄糖分子在石英玻璃表面主要呈零星分布,有少量聚集体。而苯丙氨酸分子间以及柠檬酸分子间彼此连接铺展于石英玻璃表面。并且,这两种小分子有机化合物呈多层聚集体。但是,柠檬酸分子间连接相对更加紧密,形成的空隙明显小于苯丙氨酸。6)小分子有机化合物促进了蒙脱石在石英玻璃的自组装。但是,作用有所不同。葡萄糖以及柠檬酸条件下,蒙脱石以聚集体的形式较均匀地组装在石英玻璃表面。并且,葡萄糖条件下的蒙脱石聚集体较小。而柠檬酸条件下的蒙脱石聚集体较大,可以连接成大块状。苯丙氨酸条件下,蒙脱石分布则呈现出长条状。这些长条状虽然方向各异,但是彼此相互连接形成一层致密薄膜。并且,局部存在破裂。7)当混合液中葡萄糖浓度较高时,在石英表面分布较均匀。形状以小的球形颗粒为主,局部也存在小颗粒形成的聚集体。当苯丙氨酸浓度较高时,在表面形成一层较为均匀的膜。而柠檬酸浓度较高时,表面也呈现密集的颗粒分布,但其尺寸明显大于葡萄糖浓度较高条件下所形成的颗粒。综上所述,由于不同有机物料中小分子有机化合物组成及比例不同,而这些小分子有机化合物与土壤矿物质作用机制不同。因此,导致不同有机物料对土壤有机无机复合体性质的影响存在差异。
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【学位授予单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S153
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本文编号：2277231