不同生态系统下黑土剖面有机质变化特征

发布时间：2018-02-16 02:27

  本文关键词： 土壤有机质 土壤剖面 水溶性有机质 密度分组 腐殖质 ~(13)C固体核磁技术　出处：《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：生态系统类型的改变会导致进入土壤剖面不同层次有机物料的数量和性质产生差异,从而对土壤剖面中土壤有机质(SOM)的动态变化、组分分布以及结构性质产生重要影响,但有关不同生态系统下黑土剖面中有机质组分的差异及其影响因素的研究较少。本文以典型黑土区长期定位试验为研究平台,系统研究了不同生态系统下(草地、林地、农田和裸地)土壤200cm剖面各层次中(0-10、10-20、20-40、40-60、60-80、80-100、100-120、120-140、140-160、160-180和180-200cm)SOM的数量、物理组分和化学组分的分布规律,并采用核磁共振方法,对土壤剖面(0-100cm土层)中SOM的分子结构特征进行了探讨。通过以上研究来揭示土壤剖面SOM周转及其控制因素,以期为SOM的稳定机制、全球碳循环以及黑土的合理利用提供理论依据。主要研究结果如下:(一)不同生态系统对黑土剖面中有机碳(SOC)的影响范围可达100cm以下。黑土植被恢复(草地生态系统)能有效提高剖面中0-60cm土层SOC含量。在不施肥料的情况下,农田黑土剖面中10-120cm各层SOC含量不仅低于草地和林地,且低于无植物残体输入的裸地,这可能是由农田土壤剖面中激发效应强烈,导致原SOM被微生物分解所致。黑土由农田转变为云杉林地后,0-10和10-20cm SOC含量无明显变化。(二)土壤剖面中各密度组分本身的有机碳浓度随着深度的增加而降低,说明不同剖面层次密度组分的性质存在着差异,此外,随着深度的增加,土壤轻组有机碳含量及其占SOC的比例逐渐降低,重组有机碳则相反。不同生态系统间土壤轻组碳含量在0-10和10-20cm的差异最大,且差异随着剖面深度的增加而降低,80cm以下无明显差异;草地0-80cm各土层游离态轻组(f LF)和0-60cm各土层闭蓄态轻组(o LF)碳含量以及二者占SOC的比例均高于其它生态系统,说明草地有利于土壤轻组有机碳的形成;裸地缺少轻组有机质的来源,其表层0-10cm f LF碳含量均显著低于其它3种生态系统;农田80cm以上土层轻组有机碳含量及其占SOC的比例均低于草地和林地;云杉类针叶林每年凋落物量有限,且根系大部分分布在土壤表层,因此,林地仅40cm以上土层中的轻组碳含量显著高于农田,二者40-100cm各土层的轻组碳含量无显著差异;从重组碳含量来看,农田和裸地0-40cm土层重组有机碳的比例显著高于草地和林地,说明农田和裸地生态系统会导致SOM向更加稳定的方向发展;农田土壤20-100cm以下土层的重组碳含量普遍低于其它处理,可能是由于激发效应导致。(三)在0-120cm,水溶性有机碳(WSOC)含量随深度的增加逐渐降低,120cm以下,各层WSOC含量趋于一致;不同生态系统下,WSOC含量的差异主要发生在0-80cm土层,且差异在表层最明显,表现为草地林地农田裸地;草地和林地生态系统0-60cm各土层WSOC含量显著高于农田和裸地。(四)不同生态系统下,土壤剖面中富里酸(FA)和胡敏酸(HA)含量以及HA/FA比值的差异主要发生在0-60cm土层。在60cm以上土层,草地土壤FA和HA含量普遍高于其它处;除10-20cm土层外,林地0-60cm各土层FA含量及其占SOC的比例均普遍低于其它处理,说明林地不利于上层土壤(0-60cm)中FA的形成。林地60cm以上各土层的HA/FA比值均为最高,草地除20-40cm土层外,60cm以上各土层的HA/FA比值则为最低,反映了林地SOM的腐殖化程度较高,草地则相反。与HA和FA相比,生态系统类型对胡敏素(HM)的影响程度较低,主要发生在表层0-10cm,表现为草地农田林地裸地;在20-120cm,农田各土层中HM的含量普遍低于其它处理,可能是由于农田土壤剖面中存在激发效应,导致土壤稳定性组分HM被微生物分解。(五)不同剖面深度下,SOM的化学官能团比例存在着一定差异,随着深度的增加,草地、林地和农田SOM的甲氧基和烷氧基碳的比例逐渐降低,芳香碳和羧基碳含量增多,稳定性增强。植被类型对土壤剖面中SOM的化学结构产生了重要影响,农田恢复为自然草地植被后,0-80cm各土层SOM的烷基碳、甲氧基碳和烷氧碳含量均提高,芳香碳含量则下降。农田转变为云杉林地后,土壤剖面0-60cm各层SOM的烷氧碳含量有所提高,芳香碳含量则无明显差异。与草地相比,林地各层SOM的芳香碳含量均较高,且林地0-60cm各层SOM的非极性烷基碳和烷氧基碳低于草地,说明与草地相比,林地生态系统下SOM的腐殖化程度较高。无植被覆盖的裸地弱化了土壤剖面不同层次之间SOM组成的差异。综上,不同生态系统类型会对黑土剖面中SOM的数量、组分和性质产生重要影响,且影响程度在剖面的不同层次存在着差异,揭示了不同剖面层次中SOM的稳定和周转机制不同,初步推断田间条件下土壤剖面中存在的激发效应是下层SOM周转的主要控制机制之一。在今后的研究中我们应进行相应的室内模拟试验,以明确根系及其分泌物对黑土剖面有机质周转的影响及其控制因素。
[Abstract]:This paper studies the distribution of SOM in soil profile ( 0 - 10 , 10 - 20 , 20 - 40 , 40 - 60 , 60 - 80 , 80 - 100 , 100 - 120 , 120 - 140 , 140 - 160 , 160 - 180 and 180 - 200cm ) . Compared with HA and FA , the contents of HA / FA and HA / FA ratio in soil layer of 0 - 60 cm were all higher than that of farmland and bare land . ( 5 ) There is a certain difference in the proportion of SOM ' s chemical functional groups at different section depth . As the depth increases , the proportion of the methoxyl and alkoxy carbons of the soil profile of the grassland , forest land and farmland is gradually decreased , the content of aromatic carbon and carboxyl carbon is increased , and the content of aromatic carbon decreases . In the future research , we should carry out the corresponding indoor simulation test to clarify the effect of root system and its secretions on the turnover of organic matter in black soil profile and its control factors .

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S153.6

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