【摘要】：土壤有機無機復合體是土壤區(qū)別于母質的基本特征之一,它易受外界因素影響,這主要是由于復合體中有機質易受影響,其中有機物料的作用最為突出。許多研究表明,有機物料的施用可以改善土壤物理、化學及生物學性質,從而提高土壤生產力。因此,利用有機物料進行農業(yè)生產既是農業(yè)自身物質及能量的循環(huán),又是資源再利用的有效途徑。然而,有機物料種類繁多,不同有機物料腐解產物中各種小分子有機化合物的組成及數量有所不同,勢必導致其施用后對土壤性質產生不同影響。目前,國內外研究多集中于施用有機物料對復合體結構組成的影響,系統(tǒng)地比較相同條件下施用不同來源有機物料對黑土復合體性質影響的差異性研究較少。此外,國內外學者關于有機質中不同的小分子有機化合物與礦物,特別是砂粒等大顆粒礦物間相互作用的研究較少。這些小分子有機化合物是進入土壤中的動植物殘體、植物根系分泌物經微生物的作用形成的產物。它們對于土壤微生物的活性、污染物的運輸以及養(yǎng)分循環(huán)等過程有著重要影響。并且,最近有觀點指出,土壤有機質并不是高分子聚合物,而是由各種簡單的、可識別的小分子有機化合物組成的超分子化合物。因此,對于不同的小分子有機化合物與礦物間相互作用差異性的研究有著重要的理論及實際意義。針對上述問題,本文通過盆栽試驗研究了施用四種不同來源有機物料(草本殘體、木本殘體、動物糞便、動物殘體)對黑土復合體組成及性質影響的差異性。此外,利用葡萄糖、苯丙氨酸、檸檬酸分別模擬土壤中常見的三類小分子有機化合物,蒙脫石及石英玻璃分別模擬土壤礦物顆粒。利用批量吸附實驗,結合現代儀器分析手段對不同小分子有機化合物與礦物作用機制進行研究。主要結論如下:1)與CK相比,動物糞便使膠體比表面降低7.33%,而動物殘體提高了59.58%,木本殘體提高了57.46%,草本殘體提高了100.18%。pH6時,各處理土壤膠體表面可變電荷量(Q表面)的曲線大致相似,在pH6時,動物糞便與木本殘體的Q表面曲線相似并且較高,而CK與動物殘體Q表面的曲線大致相同且較低。在pH8-10時,動物糞便處理土壤膠體參比的表面電荷(Q參)與動物殘體Q參的曲線大致相同并且較高。不同來源有機物料對黑土CEC的影響也有所差異。2)對于土壤松結態(tài)腐殖質來說,草本殘體施入一年后可顯著提高其含量。而動物糞便在第五年時顯著提高松結態(tài)腐殖質含量。各有機處理聯(lián)結態(tài)腐殖質含量表現為施入一年后顯著降低。第三年時,各有機處理顯著高于CK。第五年時,各處理間則無明顯差異。光密度在第五年時才表現出明顯差異,草本殘體及動物殘體顯著高于其它處理。各有機處理對于穩(wěn)結態(tài)腐殖質含量的影響無明顯差異,但對其組成影響存在差異。施用有機物料一年后,緊結態(tài)腐殖質含量顯著提高,但各有機物料之間差異不顯著。隨時間延長,各有機物料緊結態(tài)腐殖質含量仍高于CK,其中木本殘體以及動物殘體顯著高于其它處理。草本殘體施用一年后,松/緊顯著高于其他處理,而木本殘體以及動物糞便顯著低于ck,隨時間的延長各處理則無明顯差異。3)草本殘體處理的土壤ha脂族結構穩(wěn)定性最強,而動物殘體ha脂族穩(wěn)定性最弱。動物殘體處理的土壤fa脂族結構穩(wěn)定性最弱,而木本殘體fa中脂族結構穩(wěn)定性強。施用有機物料使hmc縮合度、氧化度以及芳香度升高,脂族性提高。其中,以木本殘體影響最明顯。此外,有機物料使hmi的羥基含量及碳水化合物減少,而使其脂族性提高。并且,各有機處理間存在差異。施用有機物料顯著降低黑土ha中c、h含量,并以木本處理作用最顯著。動物殘體可以降低黑土ha中o含量。此外,動物殘體使fa中h含量顯著降低。草本殘體可以提高fa中n含量。有機物料的施用使hmi中c、h含量下降而o含量上升,以草本處理作用最顯著。草本處理也使hmi中n含量降低。4)三種小分子有機化合物均可自發(fā)的與蒙脫石發(fā)生吸附反應。吸附位置既可以存在于表面,也可以存在于層間。三種有機小分子與蒙脫石發(fā)生吸附相互作用力有所不同。此外,葡萄糖的吸附量及吸附強度明顯低于檸檬酸以及苯丙氨酸。elovich方程最適合描述葡萄糖、苯丙氨酸及檸檬酸在蒙脫石表面的吸附動力學。freundlich方程對蒙脫石吸附三種小分子有機化合物過程擬合效果最佳。然而,吸附反應的模型方程參數有所差異。與葡萄糖反應后,蒙脫石形狀由近似球形變?yōu)閴K狀。并且,顆粒排列相對緊密。而苯丙氨酸-蒙脫石以及檸檬酸-蒙脫石復合體的形貌特征均呈現出大的片狀。小分子有機化合物使蒙脫石表面逐漸平整。其中,苯丙氨酸以及檸檬酸作用極為明顯。5)不同小分子有機化合物在石英玻璃表面的自組裝也存在差異。組裝量表現為檸檬酸苯丙氨酸葡萄糖。elovich方程對于小分子有機化合物在石英玻璃表面組裝的動力學擬合相關系數最高。langmuir方程最適合描述葡萄糖在石英玻璃表面的組裝,freundlich方程最適合描述苯丙氨酸的組裝,而temkin方程最適合描述檸檬酸的組裝。此外,葡萄糖分子在石英玻璃表面主要呈零星分布,有少量聚集體。而苯丙氨酸分子間以及檸檬酸分子間彼此連接鋪展于石英玻璃表面。并且,這兩種小分子有機化合物呈多層聚集體。但是,檸檬酸分子間連接相對更加緊密,形成的空隙明顯小于苯丙氨酸。6)小分子有機化合物促進了蒙脫石在石英玻璃的自組裝。但是,作用有所不同。葡萄糖以及檸檬酸條件下,蒙脫石以聚集體的形式較均勻地組裝在石英玻璃表面。并且,葡萄糖條件下的蒙脫石聚集體較小。而檸檬酸條件下的蒙脫石聚集體較大,可以連接成大塊狀。苯丙氨酸條件下,蒙脫石分布則呈現出長條狀。這些長條狀雖然方向各異,但是彼此相互連接形成一層致密薄膜。并且,局部存在破裂。7)當混合液中葡萄糖濃度較高時,在石英表面分布較均勻。形狀以小的球形顆粒為主,局部也存在小顆粒形成的聚集體。當苯丙氨酸濃度較高時,在表面形成一層較為均勻的膜。而檸檬酸濃度較高時,表面也呈現密集的顆粒分布,但其尺寸明顯大于葡萄糖濃度較高條件下所形成的顆粒。綜上所述,由于不同有機物料中小分子有機化合物組成及比例不同,而這些小分子有機化合物與土壤礦物質作用機制不同。因此,導致不同有機物料對土壤有機無機復合體性質的影響存在差異。
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【學位授予單位】：吉林農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S153
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本文編號：2277231