稻田土壤有機(jī)碳積累、穩(wěn)定及其生態(tài)功能變化：灘涂圍墾稻田植稻時(shí)間序列案例研究.pdf

1、土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的最關(guān)鍵組成部分，它促使土壤團(tuán)聚體和良好結(jié)構(gòu)的形成，提供微生物能源而養(yǎng)育土壤的生物區(qū)系，是土壤生物過(guò)程的驅(qū)動(dòng)者，從而驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)土壤中養(yǎng)分、水、能量循環(huán)，發(fā)揮土壤的生態(tài)系統(tǒng)功能服務(wù)。因此，土壤發(fā)育中土壤有機(jī)質(zhì)-團(tuán)聚體-微生物區(qū)系-土壤生態(tài)系統(tǒng)功能活性間的關(guān)系是土壤學(xué)的本質(zhì)問(wèn)題。已有研究表明，水稻土在水耕熟化過(guò)程中有機(jī)碳有明顯的積累趨勢(shì)和固碳潛力。
　　水稻土是我國(guó)長(zhǎng)期栽培水稻下水耕熟化過(guò)程而形成發(fā)育的一類(lèi)特色農(nóng)業(yè)土壤

2、，是獨(dú)特的人為土壤(Anthrosols)。我國(guó)種植水稻已有7000-10，000年的歷史，水稻土可以起源于多種土壤類(lèi)型，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期水稻生產(chǎn)的人為管理和耕作，水耕熟化過(guò)程的長(zhǎng)期演化而定向發(fā)育為具有特有的剖面形態(tài)特征和理化性質(zhì)，并形成穩(wěn)定的作物生產(chǎn)力。已有研究表明，水稻種植下水稻土有機(jī)碳積累明顯，并具有較高的化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性。水稻土發(fā)育中有機(jī)質(zhì)積累和穩(wěn)定是如何隨著植稻年限而演進(jìn)，其微生物、生物活性功能如何與有機(jī)質(zhì)積累相變化，這是還沒(méi)有清楚

3、的問(wèn)題。浙江慈溪沿海地區(qū)，2000多年以前通過(guò)修筑海塘以墾殖灘涂而種植水稻，形成了一系列具有植稻歷史記載的不同發(fā)育程度的水稻土，可以用來(lái)追蹤長(zhǎng)期植稻下有機(jī)碳的積累和穩(wěn)定及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化。本研究選取了未開(kāi)墾的灘涂(P0)以及植稻50年(P50)、100年(P100)、300年(P300)和700年(P700)的稻田，分析不同植稻年限土壤理化性質(zhì)的變化，利用化學(xué)分組以及團(tuán)聚體分組的方法分析有機(jī)碳積累和穩(wěn)定，并利用酶分析技術(shù)等分析土

4、壤微生物功能活性的變化，同時(shí)利用添加外源有機(jī)碳培養(yǎng)的方法探索稻田土壤的固碳能力，以此來(lái)探討水稻土熟化過(guò)程中有機(jī)碳積累和穩(wěn)定條件下土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的演變，揭示有機(jī)碳積累過(guò)程中涉及到的固定和穩(wěn)定化，以及不同有機(jī)碳組分對(duì)有機(jī)碳積累的相對(duì)貢獻(xiàn)，以及不同植稻年限土壤的微生物功能活性的演變，為完善土壤有機(jī)質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)功能研究提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:
　　一、長(zhǎng)期種植水稻下土壤有機(jī)碳積累
　　稻田土壤中有機(jī)碳隨著植稻時(shí)間的延

5、長(zhǎng)顯著增加。有機(jī)碳含量由P0的6.32g kg-1增加至植稻50年時(shí)的15.97 g kg-1以及植稻300年時(shí)的17.97 g kg-1，隨著植稻時(shí)間的延長(zhǎng)，增加的程度逐漸減小。圍墾的稻田土壤可溶性碳(Dissolved organic carbon，DOC)、易氧化態(tài)碳（Labile organic carbon，LOC）、顆粒態(tài)有機(jī)碳(Particulate organiccarbon，POC)、鐵結(jié)合態(tài)碳（Fe bound or

6、ganic carbon，F(xiàn)e-OC）、胡敏酸碳(Humic acid carbon，HA-OC)和胡敏素碳（Humin carbon，HM-OC）含量顯著提高，鈣結(jié)合態(tài)碳(Cabound organic carbon，Ca-OC)含量則隨著植稻時(shí)間的增加而逐漸降低?；钚杂袡C(jī)碳中，DOC/SOC在P50和P100中最高，隨著植稻時(shí)間增加而降低，LOC/SOC在P0中最高，植稻50年后降低且保持相對(duì)穩(wěn)定，POC/SOC則隨著植稻時(shí)間逐漸提

7、高。相反的，隨植稻時(shí)間增加，穩(wěn)定有機(jī)碳組分中，F(xiàn)e-OC/SOC和HA-OC/SOC不斷提高，而Ca-OC/SOC逐漸降低，HM-OC/SOC則無(wú)顯著變化。以上結(jié)果表明，隨著植稻時(shí)間的增加土壤有機(jī)碳積累，其中穩(wěn)定組分的積累逐漸增加，而不穩(wěn)定的活性組分在植稻50年時(shí)就已達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　總體上，與未開(kāi)墾的灘涂相比，長(zhǎng)期植稻后LOC/SOC與Ca-OC/SOC分別降低了28.73％-41.98％和67.02％-83.95％，POC

8、/SOC提高了21.61％-50.42％，HA-OC/SOC提高了49.49％-127.67％; DOC/SOC在P50和P100分別提高了13.77％和11.01％，而在P300和P700分別降低了3.33％和19.94％, Fe-OC/SOC在P50降低了29.21％，而在P100和P300中提高了11.43％和51.15％。以上結(jié)果表明，長(zhǎng)期植稻過(guò)程中，有機(jī)碳的增加主要是由于作物源碳的輸入引起的顆粒態(tài)有機(jī)碳的增加、有機(jī)碳與鐵氧化物

9、的結(jié)合、腐殖化作用形成的的穩(wěn)定性組分的積累引起的。
　　通過(guò)核磁共振圖譜分析得出胡敏酸碳主要是由烷基碳和烷氧碳組成，分別占所有碳原子的30.29％-37.10％和17.62％-21.63％，其次是芳香碳占14.85％-16.50％，羧基碳最低。灘涂圍墾為稻田50年后，烷基碳和羧基碳相對(duì)含量降低，烷氧碳和芳香碳增加;水稻長(zhǎng)期種植過(guò)程中，烷基碳相對(duì)含量逐漸增加至37.10％，而烷氧碳含量降低至18.81％，從而胡敏酸中烷氧碳/烷基碳比

10、值提高，疏水性增加，表明長(zhǎng)期植稻土壤中有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定相提高。
　　以上結(jié)果表明，不同植稻年限的土壤中各有機(jī)碳組分對(duì)有機(jī)碳積累的相對(duì)貢獻(xiàn)不同，長(zhǎng)期植稻過(guò)程中有機(jī)碳的積累機(jī)制發(fā)生變化，圍墾初期有機(jī)碳積累主要是因?yàn)樽魑镌刺嫉妮斎?，植?0年后團(tuán)聚體的物理保護(hù)和鐵氧化物的化學(xué)結(jié)合和化學(xué)穩(wěn)定以及腐殖化作用增強(qiáng)引起的穩(wěn)定性組分的積累和有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化對(duì)有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)逐漸提高。
　　二、長(zhǎng)期植稻下土壤中微生物生物量碳及酶

11、活性的變化
　　微生物生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)由P0的63.61 mg kg-1增加至P100的532.44mg kg-1，提高幅度為722.42％，此后微生物生物量碳保持相對(duì)穩(wěn)定。微生物熵由P0的1.02％增加至P100的3.12％，提高幅度為205.88％，其變化趨勢(shì)與MBC類(lèi)似;長(zhǎng)期植稻過(guò)程中除了酸性磷酸酶以外，蔗糖酶、脲酶、β-葡糖糖苷酶、β-纖維二糖酶和過(guò)氧化物酶活性均提高，在

12、P700的稻田中分別比P0提高了214.81％，116.33％，641.89％，749.60％，77.21％;隨著植稻年限的增加土壤中歸一化酶活性逐漸增加，由P0的0.11個(gè)單位增加至P700的0.30個(gè)單位，有機(jī)碳酶強(qiáng)度和微生物生物量酶強(qiáng)度在P0中最高，分別為0.0176和1.73，對(duì)于稻田來(lái)說(shuō)，酶強(qiáng)度隨著植稻年限的增加而逐漸提高;土壤的基礎(chǔ)呼吸量在P0中最低，隨著植稻年限增加逐漸提高，在植稻100年后沒(méi)有顯著變化;單位有機(jī)碳的呼吸量

13、在長(zhǎng)期的植稻過(guò)程中差異不顯著;微生物代謝熵在P0中最高為15.29 mg CO2-C g-1MBC，長(zhǎng)期植稻的稻田土壤微生物代謝熵較低，且維持相對(duì)穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，隨著植稻年限增加，微生物生物量和酶活性提高，稻田土壤中微生物對(duì)有機(jī)碳的利用率提高，有機(jī)碳的積累促進(jìn)了微生物功能活性提高。
　　三、團(tuán)聚體顆粒組中有機(jī)碳和酶活性的分布
　　隨著植稻年限的增加團(tuán)聚體顆粒組的分布、團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳組成和酶的活性發(fā)生變化。團(tuán)聚體顆粒組主要

14、是分布于200-20μm和20-2μm微團(tuán)聚體，分別占39.91-46.53％和36.97％-41.00％，2000-200μm大團(tuán)聚體顆粒組合量由P0的2.78％增加至P700的7.63％，團(tuán)聚體的平均重量直徑由P0的86.46μm增加至P700的132.24μm，說(shuō)明隨著植稻年限延長(zhǎng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性逐漸提高;有機(jī)碳和全氮含量在2000-200μm團(tuán)聚體顆粒組中以及＜2μm團(tuán)聚體顆粒組中較高，并且稻田中有機(jī)碳和全氮含量高于未開(kāi)墾的灘涂;

15、C/N隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而降低，在2000-200μm團(tuán)聚體顆粒組中隨著植稻年限增加而提高;大團(tuán)聚體顆粒組中有機(jī)碳穩(wěn)定性較低，而粘粒組中有機(jī)碳穩(wěn)定性較高;與未開(kāi)墾灘涂相比，稻田團(tuán)聚體顆粒組中有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化，主要是芳香族碳和脂肪族碳的增加;微生物生物量碳隨著粒徑減少而逐漸降低;隨著植稻年限的增加，各粒徑團(tuán)聚體顆粒組中微生物生物量碳加顯著增加，尤其是在2000-200μm團(tuán)聚體顆粒組中;蔗糖酶、β-葡糖糖苷酶和β-纖維二糖酶主要

16、分布在2000-200μm大團(tuán)聚體顆粒組中，脲酶活性在2000-200μm團(tuán)聚體中最低，酸性磷酸酶在2000-200μm和＜2μm團(tuán)聚體中較高，過(guò)氧化物酶在各粒徑中的分布一致;各粒徑團(tuán)聚體顆粒酶活性在稻田土壤中比在未開(kāi)墾灘涂中高。有機(jī)碳組分與酶活性之間的相關(guān)性在2000-200μm團(tuán)聚體中最高，隨著粒徑的減小，其相關(guān)性逐漸降低。以上結(jié)果表明，長(zhǎng)期種植水稻促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體顆粒組的形成，并提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，植稻提高了團(tuán)聚體顆粒組中有機(jī)碳

17、的含量而且引起團(tuán)聚體顆粒組中有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，體現(xiàn)在微生物功能活性方面則是提高了稻田土壤2000-200μm團(tuán)聚體中微生物生物量和酶活性。
　　四、長(zhǎng)期植稻下土壤的固碳能力變化
　　添加外源有機(jī)碳培養(yǎng)180天后，進(jìn)入土壤中的外源有機(jī)碳由P0的1.38 g kg-1增加至P100的2.78 g kg-1，植稻100年后無(wú)顯著變化，表明長(zhǎng)期植稻的土壤固定更多的有機(jī)碳;添加外源有機(jī)碳培養(yǎng)過(guò)程中，團(tuán)聚體顆粒的分布發(fā)生變化，200

18、0-200μm團(tuán)聚體顆粒含量增加，＜20μm的團(tuán)聚體顆粒組減少;隨著植稻年限的延長(zhǎng)，2000-200μm團(tuán)聚體顆粒組中外源有機(jī)碳含量降低，＜2μm團(tuán)聚體顆粒組中逐漸增加，表明長(zhǎng)期植稻促進(jìn)了外源有機(jī)碳由大粒徑團(tuán)聚體向小粒徑團(tuán)聚體的穩(wěn)定結(jié)合;然而，隨著植稻年限的延長(zhǎng)，2000-200μm團(tuán)聚體顆粒組中外源有機(jī)碳分布則逐漸提高，表明長(zhǎng)期植稻促進(jìn)了團(tuán)聚體顆粒對(duì)外源有機(jī)碳的物理保護(hù)作用。
　　本研究描述了灘涂圍墾的稻田土壤在長(zhǎng)期植稻過(guò)程中有

19、機(jī)碳積累和穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化。土壤有機(jī)碳在圍墾的最初階段大幅度增加，長(zhǎng)期植稻后有機(jī)碳保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。長(zhǎng)期植稻的土壤中有機(jī)碳的積累最主要的原因是氧化鐵的結(jié)合以及團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)作用。此外，長(zhǎng)期植稻的土壤中有機(jī)碳中腐殖化作用引起的胡敏酸中分子抗性提高，化學(xué)穩(wěn)定性增強(qiáng)也是有機(jī)碳積累重要因素。同時(shí)，隨著植稻年限的延長(zhǎng)，微生物生物量和酶活性逐漸提高。以上研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期種植水稻提高了土壤有機(jī)碳的功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，主要表現(xiàn)在有機(jī)碳積累下驅(qū)動(dòng)