论文摘要
碳和氮是土壤质量中最为重要的指标,它不仅反映土壤肥力水平,也印证着区域生态演变规律和生态建设的基本成果。黄土高原是我国主要生态脆弱区之一,多种不利因素制约着该区土壤有机碳氮积累,因此了解这一地区土壤碳氮空间分布特征及其相关关系,对进一步了解该地区土壤碳氮循环有重要理论意义。本文以黄土高原中部从北向南依次采集的干润砂质新成土（神木）、黄土正常新成土（延安）和土垫旱耕人为土（杨陵）等典型土壤剖面0-200cm土层土样,通过测定包括微生物量碳氮在内的土样有机碳氮主要组分含量,在明确各有机碳氮组分随地理位置和剖面分布规律的基础上,分析有机碳氮间的相关关系,以期为明确黄土高原南北主要类型土壤有机碳氮特征累积基本科学数据。通过研究,获得以下主要进展:1.明确了黄土高原南北主要类型土壤有机碳氮南北及剖面尺度空间分布规律。结果表明,不同土壤类型、不同土层土壤全氮和有机碳含量存在显著差异:同层次土壤从南到北全氮、有机碳含量显著下降,均以土垫旱耕人为土最高,黄土正常新成土次之,干润砂质新成土最低,差异显著（P<0.05）;土壤有机碳、全氮含量在剖面上部（0-60cm）均存在一定厚度富集层,中部（60-120cm）二者含量有一定下降,下部（60-200cm）含量低而稳定;黄土高原南北主要类型耕层土壤有机碳、全氮含量低于全国耕层土壤有机碳、全氮含量平均水平;0-200cm土层土壤有机碳总储量沿土垫旱耕人为土（102.23t/hm2）、黄土正常新成土（67.78t/hm2）、干润砂质新成土（27.07t/hm2）依次下降;三种土壤在100-200cm土层土壤有机碳累积量分别是0-100cm土层的65%、74%和58%;土壤氮储量也表现为土垫旱耕人为土（10.23t/hm2）>黄土正常新成土（7.40t/hm2）>干润砂质新成土（4.17t/hm2）,三种土壤在100-200cm土层土壤氮累积量分别是0-100cm土层的62%、59%和62%,因此在研究黄土高原南北主要类型土壤有机碳氮贮量时必需考虑深层贮量的贡献。2.通过对黄土高原南北主要类型矿物固定态铵的南北及其剖面分布规律的研究,认为矿物固定态铵是土壤氮库的重要组成部分。土壤矿物固定态铵从南到北呈下降趋势,但在全剖面上分布比较均匀,随土层深度变化差异不显著（P>0.05）,且随土层深度增加,矿物固定态铵占全氮比例有先上升、后趋于稳定的变化趋势;矿物固定态铵的分布特点与土壤颗粒分布密切相关,土壤颗粒从南到北质地逐渐变粗,但在剖面分布相对均一,土壤体积分形维数结果进一步支持了这一观点:从南到北,同层次、同种土地利用方式下土壤体积分形维数呈下降趋势,而相同地理位置、不同土层土壤体积分形维数差异不显著。相关分析进一步表明,供试土壤中矿物固定态铵与<0.01mm物理性粘粒含量存在极显著正相关关系（r=0.5422）,说明物理性粘粒是矿物固定态铵的主要载体,以上现象是黄土母质风成的必然结果,也进一步从矿物固定态铵的分布特征支持了黄土高原黄土母质的风成学说;干润砂质新成土、黄土正常新成土和土垫旱耕人为土矿物固定态铵在0-200cm土层累积量分别占土壤全氮累积量的61%、48%和41%,说明对矿物固定态铵占全氮地位的传统观念应予以重新评价。3.黄土高原南北主要类型土壤酸解有机氮及其组分随地理位置及剖面发生显著分异性。测定结果表明,从南到北,同层次、相同土地利用方式下土壤酸解性全氮、酸解氨态氮、酸解氨基糖态氮及酸解氨基酸态氮均呈下降趋势,酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮及酸解未知态氮的相对含量较高,而酸解氨基糖态氮含量较低,其共性表现为0-40cm土层迅速下降,40-80cm土层随深度增加缓慢下降,80cm以下土层随深度增加基本保持在相同水平;供试土样除酸解氨基糖态氮外,草地土壤各有机氮组分在0-40cm土层内均高于同层次的农田土壤,但随土层深度增加,差异性减小;不同土类有机氮各组分在整个剖面上占酸解性全氮的平均比例不同:干润砂质新成土为酸解氨基酸态氮（38.2%）>酸解氨态氮（32.3%）>酸解未知态氮（24.9%）>酸解氨基糖态氮（2.5%）;黄土正常新成土为酸解氨基酸态氮（36.0%）>酸解氨态氮（35.6%）>酸解未知态氮（23.1%）>酸解氨基糖态氮（3.1%）;而土垫旱耕人为土为酸解氨态氮（53.3%）>酸解氨基酸态氮（29.0%）>酸解未知态氮（14.9%）>酸解氨基糖态氮（2.8%）,以上结果说明酸解氨基酸态氮和酸解氨态氮是黄土高原南北主要类型土壤中最重要有机氮形态。4.在明确腐殖酸及其组分含量在土样中分布规律的基础上,发现黄土高原南北主要类型土壤从南到北胡敏酸/富里酸逐渐下降,但随土层深度增加而增加,说明黄土高原随土层深度增加,其腐殖酸稳定性增加。本研究土样腐殖酸所占土壤有机碳比例在全剖面变化幅度不大,整体上表现为占有机碳比例较小,土垫旱耕人为土在0-40cm、40-120cm和120-200cm土层土壤腐殖酸占有机碳比例分别为32.1%、29.9 %和26.6 %,黄土正常新成土分别为32.5 %、32.3%和33.4 %,干润砂质新成土在以上土层中腐殖酸占有机碳比例分别44.7%、46.0%和42.5%,说明在黄土高原较干燥条件下腐殖化过程缓慢,腐殖酸积累相对有限。土壤腐殖化度是衡量腐殖质品质优劣的标志之一,研究表明,随土层深度增加,土壤腐殖化度呈增加趋势,从南到北,同层次土壤腐殖化程度呈下降趋势;土垫旱耕人为土在0-40cm、40-120cm和120-200cm土层土壤胡敏酸/富里酸比值分别为0.56、0.55和0.65,黄土正常新成土胡敏酸/富里酸比值分别为0.35、0.49和0.64,干润砂质新成土在以上土层中胡敏酸/富里酸比值分别为0.20、0.55和0.60,从南到北,同层次土壤腐殖质品质呈下降趋势。5.通过对土壤各有机碳氮组分相互关系的分析,发现胡敏酸及重组有机质是黄土高原南北主要类型土壤酸解总氮和酸解氨态氮的重要贡献者,同时也揭示了胡敏酸及重组有机质在稳定黄土高原有机碳氮库方面发挥着重要作用,研究结果对理解黄土高原农田生产力形成具有重要参考价值。本论文通过对土壤有机碳氮组分间的相关性分析表明,全氮与微生物氮、固定态铵及有机氮各组分含量之间均达极显著相关性（p<0.01）;有机氮组分间除了酸解氨基糖态氮与未知态氮之间没有显著相关性外,其余组分之间均达到显著（p<0.05）或极显著（p<0.01）相关;有机碳、微生物碳、胡敏酸、富里酸、轻组及重组含量相互之间的相关性均达到极显著水平（p<0.01）,富里酸、轻组对微生物碳贡献率较高,分别是62.4%和70.7%,说明有机碳化学组分中的富里酸、物理组分中的轻组对微生物碳的影响最为显著;土壤全氮、酸解全氮、酸解氨态氮、氨基酸态氮和未知态氮含量均与有机碳物理、化学组分呈极显著相关性（p<0.01）,酸解氨基糖态氮与上述有机碳组分均没有显著相关性,土壤固定态铵与土壤微生物碳和富里酸含量没有直接相关性。总体上看,胡敏酸及重组有机质是黄土高原南北主要类型土壤酸解总氮和酸解氨态氮的重要贡献者,同时也揭示了胡敏酸及重组有机质在稳定黄土高原有机碳氮库方面发挥着重要作用。