作物源碳的土壤固定機(jī)制-四種土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在全球變化的背景下，土壤有機(jī)碳的固定是溫室氣體減排與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中主要發(fā)展的方向。農(nóng)業(yè)土壤在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，對(duì)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)存、演變的影響以及在碳循環(huán)過(guò)程中的作用日益受到人們的關(guān)注。目前，我們對(duì)于農(nóng)田土壤固碳與溫室氣體減排的自然潛力和主要途徑并不清楚。相關(guān)的固碳機(jī)理也有待深入研究。水稻土是我國(guó)重要的土壤類(lèi)型之一，也是具有我國(guó)特色的代表性土壤。我國(guó)南方以種植水稻為主，水稻土在我國(guó)南方的土壤中占有重要地位。而且，我國(guó)南方的水稻土固碳潛力

2、大。相對(duì)于其他類(lèi)型的土壤而言，我國(guó)南方有些水稻土pH偏酸性，有機(jī)碳的含量也較高。但是我們對(duì)在低pH條件下的水稻土有機(jī)碳的固定機(jī)制還不清楚。我們提出假設(shè)，我國(guó)南方水稻土有機(jī)碳的固定是在團(tuán)聚體物理保護(hù)下的化學(xué)結(jié)合與轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的共同作用機(jī)制。因此，我們選取了三種具有代表性的南方水稻土，同時(shí)選取了一種來(lái)源于長(zhǎng)江流域的濕地土壤與水稻土進(jìn)行比較，進(jìn)行添加玉米秸稈的培養(yǎng)30、90和180天的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。并且綜合13C穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)與熱解質(zhì)譜等分析

3、手段，研究不同發(fā)生起源的水稻土和濕地土壤有機(jī)碳固定過(guò)程中的相關(guān)的機(jī)理問(wèn)題。為水稻土固碳機(jī)制的研究提供新的資料。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.土壤有機(jī)碳在水稻土全土和團(tuán)聚體顆粒組中的固定
　　 通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)太湖地區(qū)黃泥土(TP)、紅泥砂田(RP)、紫泥田(PP)和濕地土壤(MS)添加玉米秸稈培養(yǎng)30、90和180天時(shí)，土壤有機(jī)碳含量的變化研究結(jié)果表明，在這四種土壤當(dāng)中，土壤有機(jī)碳的固定在太湖地區(qū)黃泥土和紅泥砂田中比在

4、紫泥田和濕地土壤中多。土壤的C/N與增加的有機(jī)碳呈顯著相關(guān)。土壤的C/N可能與土壤固碳容量有關(guān)。通過(guò)對(duì)土壤團(tuán)聚體顆粒組有機(jī)碳含量的分析得知，增加的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在大粒級(jí)團(tuán)聚體顆粒組(2000-200μm和200-20μm)中較高。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，水稻土和濕地土壤在2000-200μm顆粒組中分布的有機(jī)碳逐漸減少，水稻土有機(jī)碳有從2000-200μm粒級(jí)向20-2μm粒級(jí)中分布的趨勢(shì)。而濕地土壤有機(jī)碳的分布以2000-200μm粒級(jí)

5、為主。
　　 結(jié)合13C穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，我們對(duì)水稻土添加玉米秸稈培養(yǎng)180天時(shí)土壤中水稻土來(lái)源的有機(jī)碳和玉米秸稈來(lái)源有機(jī)碳的分布結(jié)果進(jìn)行了研究。研究結(jié)果也表明，太湖地區(qū)黃泥土和紅泥砂田中無(wú)論是玉米秸稈來(lái)源碳還是水稻土來(lái)源的有機(jī)碳含量都高于紫泥田和濕地土壤，說(shuō)明太湖地區(qū)黃泥土和紅泥砂田的固碳能力更強(qiáng)，在團(tuán)聚體顆粒組中，玉米秸稈來(lái)源有機(jī)碳主要集中在大粒級(jí)的團(tuán)聚體(2000-200μm)中。
　　 2.游離氧化鐵在水稻土

6、和濕地土壤固碳過(guò)程中的作用
　　 培養(yǎng)180天時(shí)，鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳與游離氧化鐵之間的顯著正相關(guān)關(guān)系表明了游離氧化鐵與土壤有機(jī)碳的固定密切相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)中鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳和胡敏素占土壤有機(jī)碳總量的90％左右，是有機(jī)質(zhì)的主要組分。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的比例減少，胡敏素的比例增加。在添加玉米秸稈培養(yǎng)30天時(shí)，增加的土壤有機(jī)碳與鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而到了180天時(shí)，增加的土壤有機(jī)碳與胡敏素呈顯著正

7、相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明有機(jī)碳在土壤中從固定到穩(wěn)定化，經(jīng)歷了一個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程。在團(tuán)聚體顆粒組中，各個(gè)有機(jī)質(zhì)組分的分配不同。在水稻土和濕地土壤中，新碳主要以鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳和胡敏素的形式被固定在大粒級(jí)的團(tuán)聚體(2000-200μm和200-20μm)中。
　　 3.疏水性有機(jī)質(zhì)在土壤固碳過(guò)程中的作用
　　 培養(yǎng)后四種土壤的熱解質(zhì)譜分析結(jié)果表明，雖然土壤有機(jī)質(zhì)中的疏水性有機(jī)質(zhì)（木質(zhì)素和脂類(lèi)物質(zhì)）和親水性有機(jī)質(zhì)（多糖）的含量都增加了，但是

8、隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)疏水性有機(jī)質(zhì)和親水性有機(jī)質(zhì)的含量都逐漸降低。疏水性有機(jī)質(zhì)比親水性有機(jī)質(zhì)降低的慢，表現(xiàn)的更穩(wěn)定。與添加玉米秸稈培養(yǎng)30天的處理相比，培養(yǎng)180天時(shí)其疏水性有機(jī)質(zhì)的百分含量更高，更進(jìn)一步說(shuō)明了疏水性有機(jī)質(zhì)是土壤中的穩(wěn)定性組分。土壤的粘粒含量、pH和游離氧化鐵的含量是影響疏水性有機(jī)質(zhì)含量的因子。與紫泥田和濕地土壤相比，太湖地區(qū)黃泥土、尤其是在紅泥砂田中含有更多的疏水性有機(jī)質(zhì)。這可能是有機(jī)碳在紅泥砂田中更穩(wěn)定的一個(gè)重要原因。而

9、且，不同類(lèi)型水稻土的土壤團(tuán)聚體固定疏水性有機(jī)質(zhì)的含量不同。當(dāng)新鮮有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入到水稻土和濕地土壤中時(shí)，疏水性有機(jī)質(zhì)主要集中在大粒級(jí)的團(tuán)聚體(2000-200μm和200-20μm)中。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，水稻土中增加的疏水性有機(jī)質(zhì)含量在2000-200μm的粒級(jí)減少了，分別在其它粒級(jí)有所增加。而濕地土壤中增加的木質(zhì)素和脂類(lèi)物質(zhì)含量在2000-200μm、200-20岬和20-2μm這三個(gè)粒級(jí)都降低了。
　　 4.土壤鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有

10、機(jī)碳的紅外光譜和13C核磁共振分析
　　 傅里葉變換紅外光譜的研究結(jié)果表明，鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳中的疏水性官能團(tuán)如苯酚基團(tuán)具有結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，對(duì)水稻土有機(jī)碳的固定起重要作用。并且疏水性有機(jī)質(zhì)對(duì)親水性有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用可能是親水性有機(jī)質(zhì)（蛋白質(zhì)）保持穩(wěn)定的一個(gè)原因。13C核磁共振研究結(jié)果表明了，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，與紫泥田相比，太湖地區(qū)黃泥土和紅泥砂田中含有較多的烷基碳。太湖地區(qū)黃泥土和紅泥砂田團(tuán)聚體顆粒組中的鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳在2000-2

11、00μm和20-2μm粒級(jí)中芳香碳的含量較高，而紫泥土在200-20μm和＜2μm的粒級(jí)中芳香碳含量較高。聯(lián)系到團(tuán)聚體中增加的疏水性有機(jī)質(zhì)的結(jié)果，有可能鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳疏水性基團(tuán)（芳香碳和烷基碳）的含量變化與土壤團(tuán)聚體顆粒組有機(jī)碳的穩(wěn)定性密切相關(guān)。
　　 以上研究結(jié)果表明，作物源碳在土壤中的固定主要集中在大粒級(jí)的團(tuán)聚體(2000-200μm)中。游離氧化鐵與水稻土有機(jī)碳的固定密切相關(guān)。疏水性有機(jī)質(zhì)在分子結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性是土壤有機(jī)