黑土母质熟化过程中的土壤有机碳组分与结构变化特征

发布时间：2020-07-16 13:53

【摘要】：我国东北黑土分布区域由平地和漫川漫岗构成,在漫川漫岗区域分布的自然黑土均为草原草甸植被,少部分为零星木本植物。然而由于近百年来大规模耕垦成为农田后,引发水土流失,严重地区已将黑土层剥蚀殆尽,黄土状母质裸露,导致肥沃的黑土丧失了生产植被的能力,同时黑土区域也遭到破坏。基于对裸露黄土状母质的恢复需求,我们将典型黑土2米以下的黄土状母质移入地表,进行土壤熟化试验,试图研究黑土肥力恢复效果。试验分别模拟自然过程、种植豆科牧草植物恢复过程和农田生态系统过程。在模拟农田过程中,分别设置了无肥、化肥、化肥加有机肥和在施用化肥的条件下将所收获的农作物(秸秆和籽粒)全部还田。系统分析母质熟化过程中土壤有机碳的变化特征,建立外源碳施入量与土壤有机质含量之间的关系,进一步运用有机碳物理化学分析技术,分析土壤有机碳组分库数量和有机碳化学结构变化特征,阐明母质熟化过程中的土壤有机碳数量和质量的演变规律,以期为将来的土壤修复提供理论与实践依据。主要研究结果如下:取自地下2 m的母质,由密闭系统转移至开放系统后,经过10年的熟化过程,不同生态系统间土壤有机碳含量显著增加。自然生态系统以自身的地上植株与地下根系作为有机物料的投入,在光源碳微生物的作用下,有机碳含量增加了85%。人工种植苜蓿生态系统,通过自身的植株作为有机碳投入物与其本身特有的固氮特质,促使有机碳含量增加了117%。农田生态系统中,无肥处理使土壤有机碳含量增加了56%。施用化肥与有机肥后,加速了土壤有机碳的提高,相应增加了72-165%。土壤有机碳提升最快的是化肥与地上生物量全还田生态系统,有机碳含量增加了165%,达到典型黑土表层土壤有机碳的50%。10年间不同生态系统有机碳含量增加速率范围为0.31-0.88 g C kg-1 yr-1。土壤有机碳的增加与有机碳投入量呈显著正相关关系。然而,在同一地区的典型黑土上进行10年不同化肥和秸秆还田试验后,土壤有机碳含量几乎无变化,此时典型黑土的有机碳已处于饱和状态,而处于碳饥饿状态的母质,在外源碳投入后,土壤有机碳含量迅速增加。母质熟化过程中,不同生态系统土壤有机碳垂直分布的结果表明,随着土层深度的增加,土壤有机碳呈现下降趋势。在30-40 cm土层,只有化肥与地上生物量全还田处理有机碳含量显著高于其他处理。换而言之,土壤有机碳的累积首先发生在受外界环境条件影响大的表层,深层土壤受到根系活动和淋溶作用导致土壤有机碳发生变化。根据土壤有机碳的增加速率和土壤的固碳能力,我们得知在农田生态中有投入机物料和种植苜蓿对改善土壤肥力,提高土壤固碳能力高于其他处理。不同生态系统的母质熟化过程中土壤有机碳不同组分的累积程度存在差异。土壤中各密度组分有机碳浓度的高低顺序均表现为闭蓄态轻组游离态轻组重组。重组有机碳在土壤中的比例范围为78-90%,是土壤有机碳的主要组分。在母质熟化5年后,土壤中的闭蓄态轻组有机碳与游离态轻组相比,占土壤轻组有机碳比例较大,对土地利用方式和农田管理措施更为敏感。农田生态系统中有机物料的施入,使土壤轻组有机碳得到积累。母质熟化10年后,重组有机碳含量的高低顺序为:F1C2F1C1AlfaNat FF1C0F0C0。重组有机碳与累积碳投入量达到了显著正相关,与土壤总有机碳变化趋势一致,表明重组对土壤有机碳的固定具有重要作用。母质土壤腐殖物质组分的比例大小为:胡敏素胡敏酸富里酸。母质熟化5年后,在土壤全碳含量较低的环境下,富里酸有机碳含量高于胡敏酸有机碳含量,两者占土壤全碳的比例范围为21-42%和15-19%。农田生态系统富里酸含量显著高于自然和苜蓿生态系统。伴随母质熟化时间的增加,胡敏酸和胡敏素有机碳组分显著提高。胡敏素中有机碳含量占土壤全碳的比例范围是66-74%。富里酸与胡敏酸的有机碳含量在土壤全碳比例发生变化,这意味着土壤有机碳的化学结构与稳定性发生了相应变化。同时胡敏素与累积碳投入量呈现正相关关系。初始母质土壤的红外光谱图谱分析中没有检测到脂族C吸收峰,但是伴随母质熟化时间的增加,不同生态系统中脂族C、芳香C、蛋白质类和多糖类基团的吸收峰明显增加。有机物料的施入提高了土壤有机碳的脂肪性和芳香度。但与成熟黑土相比,每个官能团的吸收峰信号较弱。用13C固体核磁技术测定了母质熟化过程中土壤有机碳化学结构的变化特征,在核磁共振图谱中共获得四个明显的官能团区,与母质土壤有机碳相比,不同生态系统的恢复过程提高了土壤有机碳烷氧C的比例,增加了多糖和蛋白质类组分含量。伴随母质熟化过程进行,土壤趋向于脂族性增强,芳香性和稳定性降低方向发展。综上,取自地下2 m的母质,由于缺少有机物质的供给其有机碳含量处于“碳饥饿”状态,当外源环境中投入足够的有机物质时,土壤有机碳数量迅速提高,有机碳组分和结构也发生的变化。黑土母质熟化过程中,有机物料的施入促使处于碳饥饿状态的母质土壤肥力迅速提升,增加的有机碳优化了不同有机碳组分的分布和结构特征。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S153.6
【图文】：

第一节 研究区域概况东北黑土区是世界四大黑土区之一，主要分布在我国东北松嫩平原、大兴安岭前平原和辽河平原，北起黑龙江省的嫩江和龙镇，南至吉林德，西至大兴安岭山地及内蒙哲里木盟东部地区，东达黑龙江省铁力此外，在小兴安岭以东、辽宁省北部也有小片黑土分布（图 2-1）。黑积为 7.015 ×104 km2，其中耕地 2204 万公顷。黑土区地势开阔平坦，土层疏松软绵，有机质含量高，加之作物生长期雨热同季，粮食产列，是我国重要的商品粮基地，主产玉米、大豆、高粱和小麦，在保安全方面具有重要的地位和作用 (于磊 and 张柏 2004, 韩贵清 009)。

中国科学院研究生院博士学位论文：黑土母质熟化过程中土壤有机碳变化特征2.2.3 土壤重组有机碳变化特征重组是由有机物与矿质结合形成的有机无机复合体，其主要成分是腐殖质因此重组碳库是 3 个组分中最稳定的碳组分，也是土壤有机碳的主要组成。母质熟化 5 年过程中，不同生态系统重组有机碳含量范围为 4.62-6.92 g kg-1，占土有机碳的比例为 78-89% （表 4-1-2 和表 4-1-3）。由此可见，重组有机碳的比例显著高于轻组有机碳组分。与初始母质相比，重组有机碳含量增加显著，然而所占土壤全碳的比例有所下降，伴随有机物料的投入比例下降的越多。这说明有机物料的投入主要提升了轻组有机碳组分。母质熟化 10 年过程中，不同生态系统重组有机碳含量范围为 6.82-11.7 g kg-1，占土壤有机碳的比例为 91-94%。与熟化 5 年的重组有机碳相比，含量和比例略有升高。

表 4-2-2. 化学分组有机碳百分含量Table 4-2-2. proportion of organic carbon in chemical fractionations%HA FA HU2008 2013 2008 2013 2008 2013NatF15 16 21 13 55 71Alfa15 14 22 12 63 74F0C018 16 42 18 39 66F1C019 17 42 17 39 67F1C115 16 31 14 46 70F1C216 15 33 14 52 71

本文编号：2758083