文摘

本研究的目的是描述的流程控制土壤中腐殖质碳封存。三个实验网站不同的管理系统和气候选择:(i) Abanilla-Spain,土壤处理城市固体废物在地中海半干旱气候;(2)Puch-Germany、土壤在密集耕作和传统农业在大陆性气候;和(3)Alberese-Italy,土壤有机和常规农业半干燥的地中海气候。chemical-structural和土壤生化特性在初始取样时间和一年后进行评估。下的土壤有机(Alberese、土壤栽培小麦属植物硬质Desf)和nonintensive管理实践(穿孔,土壤栽培小麦l .,燕麦属漂白亚麻纤维卷l .)显示高保持酶的活性腐殖质碳、总有机碳、腐殖化指数(B / E₃年代),代谢潜力(脱氢酶活动/水溶性碳)如果与传统农业和犁耕耕作相比,分别。在Abanilla市政固体废物刺激特定的应用β葡糖苷酶活动(细胞外β葡糖苷酶活动/可抽出的腐殖质碳)和促进了腐殖物质的增加对未经处理的土壤。化学和生物化学的发展状态的土壤气候梯度建议采用一定的管理实践可以非常有前途的提高SOC封存的潜力。

1。介绍

土壤系统暴露在各种各样的环境压力,自然和人为的可能影响土壤功能。由于这个原因,越来越多的认可的需要开发敏感的土壤质量指标反映土地管理对土壤的影响和帮助土地管理者在促进长期可持续性的陆地生态系统1,2]。土壤有机质(SOM)提供能源、基质、土壤和生物多样性维持众多功能,被认为是土壤最重要的一个属性,导致土壤质量和肥力(3,4]。

SOM由化学成分不同的生物降解性:(i)快速和介质营业额分数,(ii)更顽固的形式慢慢翻。前提供即时和短期的碳来源的基质土壤生物群和养分循环作出更大贡献。后者,另一方面,代表长期储层的能量,维持长期的系统,改善土壤结构。

为了理解的时间动态SOM在管理系统中,因此对描述土壤有机碳数量和质量至关重要。

特别是,通过提供营养和身体保护酶和微生物,土壤腐殖质碳含量已经普遍被认为是一个重要的部分SOM,可用于研究生态系统的土壤质量受农业实践或不利气候条件的影响。腐殖质物质能够结合细胞外酶(humic-enzyme复合物)和保护蛋白质水解和化学降解。所建议的其他研究[5,6),酶活性之间的关系和腐殖质碳含量可能反映潜在的酶固定在土壤和,因此,潜在的土壤弹性。β葡糖苷酶活性可能是一个特别有用的酶对土壤质量监控在SOM骑自行车因为它的核心作用。特别是,这种酶,催化水解纤维素的葡萄糖,提供了一个指示潜在的土壤有机质的分解。

腐殖质,β葡糖苷酶活性被认为是土壤质量的变化产生的一个重要指标从农业系统的环境压力(6,7]。

农业管理系统影响有机碳周转,可以修改SOM的结构组成8]。

SOM土壤质量的表征可以通过使用各种分析方法,如红外、紫外、核磁共振波谱法,氧化还原聚合物降解,凝胶过滤柱。一些研究人员使用热解气相色谱(Py-GC)作为可再生的研究定性的和相对快速的技术变化SOM的结构在不同农艺使用(9,10]。不同峰值对应的主要挥发性热解碎片可以用来解释SOM的构造演化的来源,分解,和稳定性。

基于化学成分,以下组化合物可以确定:(i)脂肪族化合物、脂肪酸和植物固醇,(ii)的碳水化合物,(iii)木质素(iv)芳香族化合物和多环芳烃(多环芳烃)和(v) N-containing化合物。

另一方面,其他土壤很容易衡量的描述符可以用来研究过程与土壤活性不稳定碳池。例如,脱氢酶活性,表明土壤微生物活动的地位,给土壤代谢信息。这种酶活性已被建议作为土壤质量的一个有效指标在不同农艺措施和气候条件11,12]。

也总β葡糖苷酶活动,参与土壤中纤维素降解,已被建议作为一个早期信号有机物质状态的变化和营业额1,13]。

由于这些土壤的复杂的交互和动态特性,许多研究人员强调,需要开发的土壤质量指标的组合变量反映了一系列土壤功能,如腐殖化和矿化过程,新陈代谢,和养分循环14]。

本研究的目的是(我)描述属性和过程控制土壤有机碳积累和降低流动率,(2)说明保护实践和管理系统的重要性,扭转这一趋势在土壤退化和促进碳封存。

这些目标可能是通过分析化学,chemicophysical和生化属性来定义最重要的指标,描述有机碳动力学与管理实践中采用不同的pedoclimatic条件。

2。材料和方法

2.1。取样位置

2.1.1。西班牙穆尔西亚Abanilla实验网站

站点位于Abanilla (38°12′N, 01 W°02′)在开放灌木丛不用于农业用途。地中海气候是半干旱。年平均降水量300毫米⁻¹年平均温度是18°C。研究土壤与淡色表层不发达的诊断层和归类为普通Calcisol(世界参考基础分类)。Abanilla网站有砂质粘壤土土(USDA分类),它的特点是一个TOC和互动电视内容的0.5%和9%,分别和pH值为6.5。

在这个网站,六个领域的85米²,三个有机部分市政固体废物处理(S-WOF治疗)和三个未经处理的字段(S-C、控制),设置。废物有机分数增加,土壤采样前16年,在这样一个剂量增加SOM 1.5%。这个分数被纳入顶部使用旋耕机15厘米的土壤。S-WOF,植物覆盖发达自发(60 - 70%的植物覆盖率),虽然非常缺乏植被生长在控制土壤(20 - 30%的植物覆盖率)。植被的面积是典型的地中海半干旱低地:松果体halepensis轧机。和天然灌木。

2.1.2。意大利托斯卡纳Alberese实验网站

站点位于Alberese (42°40′N, 11°06′E),特点是地中海半干旱气候。土壤被两个农业领域:有机(I-BA)和传统的区域(我说)。这两个领域有硬质小麦(小麦属植物硬质作为一个单一Desf)。在有机区域,三个字段与100公斤公顷受精⁻¹y⁻¹商业绿肥,同时,在传统的地区,三个字段与硝酸铵受精以总计200公斤公顷的速度⁻¹y⁻¹。有机和常规管理系统进行了五年。每个情节都200米²。

Alberese网站有砂质粘壤土土(USDA分类),它的特点是一个TOC和互动电视内容的0.15%和2.1%,分别和pH值为7.8。土壤是一个铬始成土(世界参考基础分类)。该地区的主要植被Quercus冬青属植物l和天然灌木。年降水量为600毫米⁻¹平均气温是15°C。

2.1.3。穿孔试验站点在巴伐利亚,德国

字段穿孔位于慕尼黑西北约40公里(48°10′N, 11°13′E)。在这个网站,工厂介绍已经故意修改在过去50年的长期实验。三个情节密集耕作(p)自1953年以来一直没有植物每年耕作两次和重复除根;这些土壤不受精时,将植被出现。因此,没有输入从植物和SOM不断暴露于曝气。三块在传统农业(P-CA)与小麦栽培(小麦l .)和燕麦(燕麦属漂白亚麻纤维卷l .);这些土壤收到常规耕作,它允许一些植物覆盖建立本身。三个非托管土壤被用作控制土壤(pci);控制土壤被遗弃和被低密度自然植被覆盖。每个情节和对待每一个未经处理的(控制)情节大约200米²(每治疗总面积600米²),砂壤土纹理(USDA分类),它的特点是一个TOC和互动电视内容的1.1%和0.03%,分别和pH值为6.6。土壤是一个普通的淋溶土(世界参考基础分类),该地区的植被是典型的大陆性气候的优势挪威云杉(l)H.Karst。和冷杉属阿尔巴。轧机。年降水量为900毫米⁻¹平均气温是8°C。

每个土壤生态系统的监测包括在树苗每年进行一次。本文的结果初始抽样(T1),一年后(T2)报告。T1和T2抽样做在同一时间不同的实验场所,即使治疗开始在不同时期不同地点。

每个土壤样本组合九大部分次级样本随机收集从顶层(15厘米;150厘米³土壤核)的同质区域。三复合土样每复制治疗,风干,渗(< 2毫米),储存在室温下之前确定化学、物理、生化性质。

2.2。方法

2.2.1。化学、生物和物理分析

总有机碳(TOC)和总无机碳(TIC)含量测定用LECO美国rc - 412多相碳/氢/水分限定词。总氮(TN)内容由LECO,美国《外交政策》- 528蛋白/氮限定词。提取水溶性碳(WSC)报告的使用方法(15]。焦磷酸钠(0.1 M, pH值7.1)37°C以下24小时摇晃200振荡最小⁻¹被用来提取总腐殖质碳(THC) [8]。提取过滤在0.22μ米微孔膜,通过超滤AMICON PM10截止膜获得保持酶的活性分数> 10⁴Da(活性腐殖质碳,AHC)。WSC的C含量、THC和AHC是由重铬酸氧化16]。

总(TG)和细胞外(如)β葡糖苷酶活性测定在整个土壤17焦磷酸)和土壤提取分数> 10⁴达(8),分别用0.05米(4-nitrophenyl)磷酸二钠六水合物(PNG)作为衬底。4-nitrophenol (PNP)由水解提取并确定spectrophotometrically在398纳米18]。脱氢酶活性测定的方法Masciandaro et al。19),使用3 - (4-iodophenyl) 2 - (4-nitrophenyl) 5-phenyl-2H-tetrazol-3-ium氯(INT)作为电子受体和检测spectrophotometrically 1 - (4-iodophenyl) 5 - (4-nitrophenyl) 3-phenylformazan 490海里。总孔隙度确定方法,洛厄尔和盾牌(20.]。

2.2.2。Chemicostructural分析(热解气相色谱法)

Py-GC基于快速分解有机物质在一个控制闪电的温度高,在惰性气体的氛围中N₂母舰。气相色谱仪用于热解片段的分离和定量。50微克的脱水和地面(< 100目)土壤样本和300年μL焦磷酸钠(0.1 M, pH值7.1)介绍了提取到热解石英在190年CDS Pyroprobe超小型电子管。焦磷酸钠的分析提取本机SOM提供更可靠的信息。

热解进行了800°C 10 s, 10°C的升温速率⁻¹(名义条件)。探测器是直接耦合到卡洛Erba 6000气相色谱仪火焰离子化检测器(FID)。色谱条件如下:3 m×6毫米,80 - 100目,1422 SA (Supelco Inc .) poropak Q填充柱;温度项目60°C,增加到240°C到8°C分钟⁻¹。热解色谱图被量化解释七峰对应的主要挥发性热解片段(21:乙腈(E₁)、乙酸(K)、苯(B)、吡咯(O)、甲苯(E₃)、糠醛(N)和苯酚(Y),乙腈(E₁)来源于热解氨基酸,蛋白质,和微生物细胞。糠醛(N)主要来源于纤维素和其他脂肪族有机化合物。醋酸(K)优先来自脂类物质的热解,脂肪、蜡、纤维素等碳水化合物。苯酚(Y)来自新鲜或浓缩(腐殖质)木质纤维素的结构。苯(B)和甲苯(E₃)基本上是来源于浓缩的芳香结构稳定的腐殖化的有机物质,特别是对苯、甲苯以来必须来自与脂肪族链戒指,虽然短暂。吡咯(O)来源于nitrogenated化合物,如核酸、蛋白质、和微生物细胞(22]。峰值区域归一化,这样每个峰面积指选择七峰的总数的百分比(相对丰度)。字母代码使用的是传统的和已经在以前的论文(21,23]。峰纯度检查所选的主要挥发性片段通过耦合相同的色谱系统质量检测器惠普8000在相同的操作条件确认工作条件的可靠性。

之间的比率相对丰度的峰值测定(21]:(i) N / O:矿化指数。这个索引表达之间的比例糠醛,热解产品由多糖、吡咯,来源于含氮化合物,腐殖化的有机物和微生物细胞。比率越高,降低有机物的矿化。

(2)B / E₃:腐殖化指数。比率越高,越高有机质的腐殖化,因为苯主要来自热解退化浓缩芳香结构,而甲苯来自芳香与脂肪族不凝结的环链(21]。

2.3。统计分析

Statistica 7.0软件(美国俄克拉何马州的塔尔萨StatSoft Inc .)是用于统计分析。所有结果的三个字段复制。差异的治疗方法在每个站点被方差分析测试(一维方差分析)。手段比较计算通过使用至少有显著差异(费雪的测试)。此外,结果使用主成分分析(PCA),研究了多元统计数据分析技术,这样可以减少一组原始数据的主成分保留最原始变量内的方差,以识别对象和变量之间可能的模式或集群(24]。PCA分析中使用的所有原始数据进行预处理,从而消除或减少不相关的变异来源或“噪声”可能干涉分析。首先,原始数据日志转化为减少数据异构性;这之后,转换后的数据进行标准化。

最后,计算数据的相关矩阵也是为了确定指标之间的关系。大量报道()是基于学生的分布。

3所示。结果与讨论

化学、物理(表1),生化(表2在T1和T2)变量显示非常相似的值,这是乘以相应的两个采样周期,表明土壤特性的稳定性在很短的时间内。

总有机碳(TOC)密切相关的土壤类型和管理系统。事实上,有显著差异()在治疗中TOC含量三个地理区域(表1)。最低的TOC发现Abanilla非托管土壤(控制),是位于predesertic干燥区域(Southern-Eastern西班牙)。这土壤可以被定义为一个生物“可怜的土壤”(25,26)有一个低有机质和微生物活动(表的内容1和2)。浪费的影响有机分数应用Abanilla土壤有机碳含量仍清晰的16年后。应用有机材料的有利影响的SOM是众所周知的几位长期实验27- - - - - -29日]。特别是,较高含量的水溶性碳(S-WSC)观察有机修正案增加了(S-WOF治疗),与控制土壤(表1)。S-WOF处理土壤,植物覆盖发达自发,而非常缺乏植被生长在控制土壤。维护S-WOF植被的土壤可能有积极影响的输入WSC通过根系分泌物和植物仍然是(30.]。不稳定有机碳分数,这被认为是容易被土壤微生物降解(31日),确定,正如所料,激活居民的微生物种群。有益的植物在微生物刺激通过有机分泌物-土界面已经被广泛报道32]。土壤脱氢酶和总β葡糖苷酶的活动,事实上,大大增强()比在控制土壤(表管理2)。通常报道,脱氢酶活性和WSC之间正相关(,)[30.,33,34),β葡糖苷酶活性和WSC (,)[35观察。

脱氢酶活性,尤其是指的是精力充沛,立即C衬底,给出了一个土壤代谢潜力的康复。这种代谢潜力,计算之间的比率的活动可行的微生物群落(脱氢酶活性)和微生物的能源(水溶性碳浓度),更高的S-WOF对控制土壤。

此外,高总腐殖质碳(THC)和保持酶的活性腐殖质碳(AHC)观察S-WOF对控制土壤中显示的积极影响有机质添加维护的稳定碳池。AHC还建议越高能力越高的稳定的腐殖质分数> 10⁴分子量对维持细胞外酶的活性形式,证实的显著()更高的特定细胞外β葡糖苷酶活动,计算细胞外之间的比率β葡糖苷酶活性和相关AHC;这个特定的活动允许评估积累保持酶的活性腐殖质池。humic-enzyme复合物的保护是一个重要的条件土壤弹性和他们的存在被定义为一个必要条件,使土壤能够抵消了不可逆转的恶化(土壤沙漠化)[36]。

显著差异相关的化学和生化指标之间的碳循环也观察到有机(I-BA)和常规农业土壤Alberese网站(我说)。表达的有机管理刺激土壤代谢潜力,脱氢酶活性和水溶性碳之间的比例(1,37)(表2),增加了总有机碳(TOC)和氮(TN)和可用的内容形式的碳(WSC, THC, AHC)(表1)。然而,具体的β葡糖苷酶,所表达的总(总之间的比率β葡糖苷酶活性和TOC)和细胞外(表达的细胞外之间的比率β葡糖苷酶活性和AHC),显示无显著差异()之间的有机和常规管理土壤(表2)。一般来说,丰富的谷类作物的存在导致土壤扰动少,刺激微生物活性超过uncropped或间歇地出现土壤(38]。

穿孔土壤显示减少的TOC的密集耕作的土壤(p)、控制(pci)和传统裁剪(P-CA)土壤。特别是,p显示活性腐殖质碳的含量低于分数(AHC)和特定的细胞外β葡糖苷酶活动(例如/ AHC)(表2)。P-CA土壤,虽然提出了更高价值的化学指标,显示了特定的细胞外β葡糖苷酶活性(如/ AHC)对pci。已经观察到(38),这些结果表明,转换犁耕作(p)免耕农业耕作制度(P-CA),涉及作物肥田的频繁使用旋转周期以及采用综合营养管理是一种实践能够恢复和维持大量土壤中有机碳池。

碳营业额可能评估也通过SOM的chemicostructural组成由热解技术。苯的比值(B)和甲苯(E₃)热解碎片,它已被视为“腐殖化指数”和糠醛的比值(N)和吡咯(O),这被视为是一种“矿化指数”(8,34),表现出同样的趋势在整个土壤和土壤提取(表3)。

在Abanilla站点,B / E₃导致更高的有机处理土壤(S-WOF)比在控制土壤(S-C),显示激活的腐殖化有机修正案;WSC根渗出液,如前所述,似乎的低价值负责整个土壤中的N / O指数的S-WOF治疗(表3)。

同样在Alberese站点,B / E的增加₃有机的传统农业系统确认的患病率在矿化腐殖化过程。根据腐殖化指数,糠醛/吡咯(N / O)比率显示I-BA-treated土壤中的高值,从而表明存在更多的进化(少mineralizable)在整个土壤和土壤腐殖质物质提取(表3)。

在穿孔的土壤,有意义的差异被发现(腐殖化指数(B / E)₃)之间的密集耕作的土壤(p),控制土壤(pci)和传统农业(P-CA)。p治疗,显示了较低的值(),似乎是暴露于矿化。

通过考虑的三个管理系统将影响土壤性质,也就是说,Abanilla控制土壤S-C Alberese传统农业我会唱歌,和穿孔控制土壤pci或p,一个人可以,所有的指标测量的基础上,减少订单的土壤退化:Abanilla≫Alberese >穿孔。此外,最重要的因素之一是气候影响SOM营业额,土壤退化反映了所选择的三个站点的地理分布,从干旱到更潮湿的地方。

因此,Abanilla有望显示缓慢的新陈代谢比其他土壤,这可能是反映在一个不同的碳周转,这实际上是发现。相反,管理与改善实践无疑会减慢,逮捕,甚至改变了土壤退化。为了更清楚地解释因素(AHC TOC, THC, TN、道达尔和细胞外β葡糖苷酶、脱氢酶、WSC,孔隙度、B / E₃和N / O)控制碳代谢和腐殖化过程的三个生态系统,主成分分析(PCA)。

土壤特性可以归纳为三个独立的个人电脑,这解释的总方差的83%(表4)。第一个PC (PC1,总方差的41%)包括TOC, AHC, THC,如Dh-ase, B / E₃。AHC之间统计上显著的积极关系,THC, TOC(指标指示意义相同的电脑相同的标志)表示TOC腐殖质碳演化的重要影响。此外,这些指标之间的积极的加载和DH-ase表明存在一个活跃的新陈代谢容易持续的可分解的SOM促进持久的合成特定场地腐殖物质(如腐殖质土壤的有机物质)的一部分。稳定的发展有机C分数(AHC)是相关的,因为它决定了土壤的能力抵抗和/或弹性退化过程,尤其是在极端环境中(36]。通常知道腐殖质物质如AHC能够绑定活跃的酶,可以表达一个biochemico-functional作用,稳定细胞外酶还在极端环境条件(31日],chemicostructural作用,其重要性与矿物粒子稳定和他们构成一个缓慢释放养分来源在土壤生态系统39]。针对这一点,AHC和functional-structural指标之间的关系(B / E₃、总有机碳和胞外酶活性)可以预期。然而,统计上显著的负关系TG和N / Os第二电脑显示成矿过程增加了碳循环的微生物激活。

虽然因果关系难以建立给定变量的共线性,WSC的积极加载和孔隙度在第三电脑建议可分解的有机质输入和土壤孔隙度之间的关系改善。

图1提供的biplot PCA分析获得使用前两个电脑。这个情节让集群的图形表示土壤具有相似的物理化学和生物化学特性。biplot表明有机管理积极影响土壤有机碳的进化;事实上,I-BA和S-WOF关系转向我说,S-C分别沿着PC1的积极价值,是与腐殖化过程的指示性指标呈正相关。这些有机土壤管理也将沿着PC2的积极价值,确认他们的更高的能力保护腐殖质碳矿化。

同样,不同的穿孔治疗PC1传播。特别是,p治疗转移对pci和P-CA负值表示建立矿化过程。

4所示。结论

采用有机(Alberese网站,I-BA)和/或nonintensive管理(穿孔网站,P-CA)实践与传统农业相比(Alberese网站,我说)或犁耕耕作方法(穿孔,p)引发了相当大的刺激代谢潜力(脱氢酶活动/水溶性碳)和增加腐殖质碳和humic-associated酶。

在Abanilla网站应用程序的城市固体废物(S-WOF)刺激特定的β葡糖苷酶活动(细胞外β葡糖苷酶活动/可抽出的腐殖质碳)对未经处理的土壤和促进了SOM的稳定,所显示的腐殖物质的增加。

PCA分析能够评估碳循环的演变和代谢过程对腐殖化或矿化途径的变化在不同的土壤生态系统。

AHC显示积极的依赖TOC和微生物活动,指示一个活跃的新陈代谢持续的可分解的SOM,这促进了持久的合成特定场地腐殖质物质。另一方面,N / O之间的负面关系指数和TG表示,碳循环的微生物激活调节SOM的分解。这些结果,标志着生物进化和化学状态的土壤,尤其重要,因为他们认为,某些管理实践的采用在不同的气候有很大的影响最大化SOC封存。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究是欧盟项目的框架内进行“指标和阈值对荒漠化、土壤质量和补救”指数(喉炎的合同没有。505450年2004/2006)。