【摘 要】
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土壤侵蚀在全球元素的地球化学循环中发挥着重要作用,侵蚀在导致土壤流失的同时也造成土壤养分元素发生重新分布。有关养分元素重分布的研究多集中于碳等常量元素,且已经形成了较为系统的理论体系。微量元素作为陆地生态系统中重要的养分元素,其因侵蚀发生迁移和流失不仅降低土地生产力水平,还可能对下游水体及水生物安全产生威胁,并影响局部地区物质循环状态。因此,微量元素的迁移重分布过程需引起足够重视。本研究选取黄土高
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(41701318); 国家重点研发计划项目(2018YFC0507001);
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土壤侵蚀在全球元素的地球化学循环中发挥着重要作用,侵蚀在导致土壤流失的同时也造成土壤养分元素发生重新分布。有关养分元素重分布的研究多集中于碳等常量元素,且已经形成了较为系统的理论体系。微量元素作为陆地生态系统中重要的养分元素,其因侵蚀发生迁移和流失不仅降低土地生产力水平,还可能对下游水体及水生物安全产生威胁,并影响局部地区物质循环状态。因此,微量元素的迁移重分布过程需引起足够重视。本研究选取黄土高原地区富含锌(Zn)、锰(Mn)、铜(Cu)元素的典型农耕地为研究对象,测定长期施加微量元素条件下未分级土壤的理化性质以及作物产量变化,通过高通量测序分析各微量元素处理土壤中微生物群落组成及其多样性,分析基于沉降分级法所得≥250、125~250、63~125、20~63、≤20μm团聚体中Zn、Mn、Cu元素含量,以及基于傅立叶变换红外光谱(FTIR)所得团聚体中有机官能团含量,从而明确微生物群落与有机官能团对微量元素的响应特征。主要结果如下:(1)长期施加微量元素未改变细菌门水平及真菌纲水平物种组成,但显著增加表层细菌α多样性。细菌群落对Zn、Mn、Cu元素的响应程度大于真菌,主要是由于细菌与真菌对微量元素的吸附效率以及响应机制存在差异。Mn元素提高了细菌群落对外界环境因素变化的适应能力,Cu元素提高了真菌群落对外界环境因素变化的敏感程度。细菌与真菌对微量元素的响应特征,主要是基于细菌与真菌对微量元素的选择吸附作用。(2)试验区土壤有机碳含量处于较低水平(6~12 g·kg-1),长期施加Zn、Mn、Cu元素并未显著改善土壤有机碳含量,但导致Zn、Cu元素在表层土壤中明显富集(富集度分别为30%、80%以上),而Mn元素无明显富集(幅度在5%以内)。三种微量元素在微小团聚体(≤20μm)中的富集程度最高,其中Cu元素富集度最大。(3)长期施加微量元素未显著改变试验区土壤有机碳结构,有机官能团中不稳定的C-O(多糖类物质)含量最大,有机碳抗分解力较小。Cu元素积累与C-O(多糖类物质)、C=O及C=N(芳香族及羧酸类物质)呈正相关,而Zn、Mn元素与有机官能团之间的相关性受有机官能团含量及类型、微量元素被吸附效率等因素的限制。本研究明确了微量元素的微生物响应特征,揭示了有机官能团对微量元素分布及积累的重要作用。同时,研究微量元素在不同粒级团聚体中的分布规律,有助于理解侵蚀条件下微量元素迁移重分布过程。
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