施肥对旱地红壤根际沉积物与粘土矿物的插层反应的影响

Rhizodeposits including root exudates, sloughed root cells and microbial metabolites as well as microbial residues in rhizosphere soil during plant growth are the very important source and the component of soil organic matter (SOM). Rhizodeposition may be the most original, direct and effective pathway to transfer atmosphere CO2 and N2 via photosynthesis and natural or industrial N fixation. Based on a preliminary experiment, this proposal is aimed to investigate the SOM intercalation in red earth soil of southern China with long-term application of different fertilizers, the intercalation reaction between rhizodeposits and phyllosilicate minerals in microcosms and the effects of long-term application of inoganic and organic fertilizers on soil caly minerals, soil intercalation and soil properties. This proposal will provide scientical base for understanding the formation of soil basic fertility, the updation, transformation and accumulation of SOM, soil acidification and changes in soil fertility.

根际土壤中来源于植物根系生长过程的根际沉积物包括植物根系分泌物和根细胞脱落物以及根际微生物代谢产物和微生物残体，是土壤有机质（SOM）的重要来源和组成部分。根际沉积过程是把大气CO2通过光合作用和大气N2经由生物固氮或工业固氮过程转入到土壤中最原始、最直接、最有效的途径之一。基于初步试验结果，本项目研究我国南方红壤不同施肥措施处理长期定位试验土壤中插层SOM特征、研究微宇宙生态系统中根际沉积物与层状硅酸盐矿物的插层反应特征、研究长期施用化肥和有机肥对土壤矿物、土壤插层反应和土壤性质的影响。研究结果为认识土壤基础肥力形成、SOM的更新、转化和积累机制、土壤酸化过程以及土壤肥力演变规律提供科学依据。

土壤有机质是陆地生态系统最大的碳库，其积累和稳定对于全球碳循环具有重要影响。本项目研究长期不同施肥措施下土壤有机质进入矿物层间的可能性以及不同长期施肥措施对土壤矿物和土壤性质的影响。对湖南祁阳红壤定位试验站第四季红色粘土、紫色砂岩和花岗岩三种不同母质红壤1982年以来长期不施肥对照（CK）、长期施化肥处理（NPK）和长期施有机肥并还田（OMR）处理的土壤粘土矿物组成结果表明，红壤土壤粘土矿物主要由高岭石（11-83%）、伊利石（15-75%）和蛭石（2-22%）组成，各矿物成分所占比例主要受成土母质控制，长期不同施肥处理对红壤的粘土矿物组成影响较小且无一定规律。对新疆乌鲁木齐灰漠土长期定位试验站土壤矿物与长期不同施肥处理的分析也得到类似结论。虽然粘土矿物层间有机碳的含量只有0.74-1.40 g/kg，但长期不同施肥处理显著影响粘土矿物层间有机碳的含量。X射线衍射、红外光谱和差热分析证据表明土壤中的有机分子能够存在于土壤矿物层间，且受到不同处理条件下作物生长状态的影响。根据这些插层化学特征，高岭土经过剥层处理后与解淀粉芽孢杆菌菌株XZ-173（Bacillus amyloliquefaciens XZ-173）固体发酵农业废弃物生产的脂肽配制成高岭土-脂肽复合剂，能显著促进番茄生长和防治番茄青枯病；蒙脱石经剥层处理后与脂肽配制成的蒙脱石-脂肽复合剂能显著去除水中多种重金属元素。我们的研究发现不同类型土壤有机质与活性矿物的关系不同。红壤土壤有机质的含量及其酸性与弱结晶铁铝氧化物纳米颗粒显著相关；水稻土土体土壤和团聚体中的有机质含量与土壤弱结晶铁氧化物纳米颗粒显著相关，而灰漠土有机质的含量与碳酸钙纳米颗粒显著相关。本课题的研究表明，粘土矿物的粒径大小决定其功能，剥层处理后的高岭石和蒙脱石活性显著提高；而土壤中的天然纳米矿物（如水铁矿和水铝英石）和矿物纳米颗粒（晶型铁氧化矿、粘土矿物和碳酸钙等）的形成与作用是影响土壤性质的重要因子。