四川盆地紫色水稻土腐殖質特征及其團聚體有機碳保護機制.pdf

1、由于人口、經濟、技術和社會壓力而引起的土地利用變化加劇了全球氣候變化的速度，尋求農業(yè)土壤增加和固定有機碳已經成為緩減大氣CO2濃度增加的有效途徑之一。農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的碳庫不僅是全球碳庫的一個重要組成部分，而且是其中最活躍的部分。農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的物質循環(huán)，特別是C、N循環(huán)狀況早已成為普遍關注的全球問題之一。稻田生態(tài)系統(tǒng)是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一個典型類型，其物質循環(huán)的狀況和強度不僅強烈地影響該生態(tài)系統(tǒng)的生產力大小，而且對全球環(huán)境變化產生一定的影響

2、，是近年來較活躍的研究領域。土壤腐殖質因在土壤有機質中不易被微生物分解或具有微生物抗性而成為穩(wěn)定有機碳，這與其自身的化學組成和微結構密不可分。目前，對土壤腐殖質組成和結構的研究主要集中于森林生態(tài)系統(tǒng)以及不同生態(tài)系統(tǒng)之間的更替轉換，相對而言，農田生態(tài)系統(tǒng)，尤其是長期免耕、輪作和秸稈覆蓋還田等農業(yè)措施下稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳素循環(huán)研究得到的規(guī)律性認識還較少。這樣，深入了解典型稻田生態(tài)系統(tǒng)有機質的累積效應和穩(wěn)定機制已成為全球變化研究的重要內容。

3、r>　　 因此，本文以四川盆地紫色水稻土壟作免耕長期定位試驗為主要對象(涉及8個處理：常規(guī)平作(中稻-冬水)、冬水免耕(中稻-冬水)、油菜免耕(中稻-油菜)、廂作免耕(中稻-油菜)、綠肥免耕(中稻-綠肥)、油菜翻耕(中稻-油菜)、廂作翻耕(中稻-油菜)和水早輪作(中稻-油菜)，輔助室內稻草腐解培養(yǎng)實驗，在全面了解長期保護性耕作下四川盆地紫色水稻土腐殖質特性的基礎上，運用元素分析、同位素13C天然豐度法、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、

4、固體核磁共振(solid-stateCP/MAS13C-NMR)等現(xiàn)代分析技術和方法表征了紫色水稻土胡敏酸和富里酸的化學組成，同時分析短期培養(yǎng)實驗中稻草腐解對紫色土壤胡敏酸和富里酸組成和結構的影響。討論紫色水稻土團聚體組成、穩(wěn)定性及其與有機碳關系，估算了不同耕作方式下紫色水稻土的碳儲量，主要結果如下：
　　 1)耕作方式顯著影響紫色水稻土耕作層和犁底層土壤胡敏酸和富里酸的數(shù)量和光學性質(E4/E6、色調系數(shù)(△logK)和相對色

5、度(RF))。耕作層用NaOH+Na4P2O7可提取的土壤腐殖酸碳含量占土壤有機碳含量的37％-40％。與常規(guī)平作比較，壟作免耕和廂作免耕土壤腐殖酸碳含量分別增加39.29％和8.70％，水早輪作降低23.52％。壟作免耕和廂作免耕犁底層土壤腐殖酸碳含量分別比常規(guī)平作高54.97％和66.38％，說明保護性耕作有利于紫色水稻土耕作層和犁底層腐殖酸碳含量的增加。土壤胡敏酸碳含量為腐殖酸和土壤有機質碳含量的38％-65％和12％-29％，1

6、6年壟作免耕和廂作免耕耕作層土壤胡敏酸碳含量分別增加41.62％和10.52％。除廂作免耕增加外，壟作免耕和水旱輪作犁底層土壤胡敏酸碳含量分別為1990年的81.91％和70.82％，壟作免耕和廂作免耕與常規(guī)平作差異顯著。紫色水稻土耕作層和犁底層土壤富里酸碳含量分別為土壤碳含量12％-22％和11％-25％，壟作免耕和廂作免耕耕作層土壤富里酸碳含量比1990年分別增加23.08％和77.69％，比同期常規(guī)平作高25.49％和20.45％

7、，與常規(guī)平作和水旱輪作差異不顯著。壟作免耕和廂作免耕犁底層土壤富里酸碳含量比1990年分別增加61.00％和10.91％，分別比常規(guī)平作增加43.79％和50.69％，因此，保護性耕作有利于增加紫色水稻土耕作層和犁底層富里酸碳含量。
　　 2)采用元素自動分析儀、FTR和固體-CPMAS13C-NMR和有機化學結構分析方法剖析了長期免耕、輪作和秸稈覆蓋下紫色水稻土腐殖質的化學組成。紫色水稻土胡敏酸的元素重量百分比以C為主(50％

8、-53％)，其次為O(30％-36％)，H為5％-6％，S為4％-7％,N為4％-6％。與1990年比較，壟作免耕土壤胡敏酸的總酸度、羧基和酚羥基含量降低，羰基含量約增加1倍。與常規(guī)平作耕作層土壤胡敏酸比較，廂作免耕土壤胡敏酸的總酸度、羰基和酚羥基含量增加，羧基含量降低。水旱輪作土壤胡敏酸的總酸度、羧基和酚羥基含量降低，而羰基含量顯著增加。犁底層常規(guī)平作土壤胡敏酸的含氧官能團均增加，水旱輪作土壤胡敏酸的總酸度和酚羥基降低，羧基和羰基含量

9、增加。廂作免耕土壤胡敏酸的總酸度和羧基含量與常規(guī)平作相近，而羰基含量顯著增加。紅外光譜分析結果說明，紫色水稻土胡敏酸的含氧官能團主要有羧基、羥基和羰基，只是不同耕作方式下含氧官能團的數(shù)量有所不同而已。紫色水稻土胡敏酸以脂肪族(烷基碳和烷氧碳)為主，為50％-86％，其次為羰基碳(18％-31％)，芳香碳最低(9％-24％)，芳香度為8％-33％。脂肪族以烷氧碳為主(27％-43％)，烷基碳為20％-29％。耕作層土壤胡敏酸脂族性以常規(guī)平

10、作(70.91％)、廂作免耕(60.21％)和水旱輪作(52.80％)順序遞減，犁底層土壤胡敏酸以廂作免耕(50.80％)、常規(guī)平作(59.13％)和水旱輪作(85.75％)順序遞增。隨著深度增加，常規(guī)平作和廂作免耕胡敏酸脂族性降低，芳香性增強；水旱輪作為脂族性增強，芳香性急劇減弱。不同耕作方式下胡敏酸碳類型差異主要來源于含氧官能團含量在深度上的變化，說明壟(廂)作免耕、輪作和秸稈覆蓋還田結合影響了土壤胡敏酸的化學組成。
　　

11、3)通過短期室內培養(yǎng)實驗，采用元素自動分析儀、FTIR和固體-CPMAS13C-NMR和有機化學結構分析法研究了稻草腐解進程中土壤胡敏酸和富里酸化學組成的變化。添加稻草顯著提高土壤有機碳含量,45d、90d和135d土壤有機碳含量分別比相應對照增加64.00％、55.59％和31.38％。70℃和100℃時0.1mol L-1NaOH+Na4P2O7提取添加稻草土壤腐殖酸碳含量分別為土壤有機碳含量的24％-32％和47％-53％，土壤胡

12、敏酸碳含量在土壤腐殖酸碳含量中所占的比例(PQ)分別為57％-67％和46％-52％。70℃和100℃時0.1mol L-1NaOH提取添加稻草土壤腐殖酸碳含量分別為土壤有機碳含量的22％-26％和40％左右，PQ分別為22％-26％和50％-54％。添加稻草進而顯著影響土壤胡敏酸的△logK和RF，土壤胡敏酸的類型以Rp型為主。添加稻草和對照土壤胡敏酸的元素重量百分比均以C為主(52％左右)，其次O含量27％-31％，H和S含量相近，

13、N含量最低為4.0％-4.5％。同期添加稻草和對照土壤HA的元素含量沒有顯著差異。隨著培養(yǎng)時間的延長，對照土壤胡敏酸的總酸度和酚羥基增加，羧基和羰基保持穩(wěn)定。添加稻草對土壤胡敏酸的總酸度、酚羥基和羰基含量增加，羧基含量在90d時達到最大，隨后降低。添加稻草土壤胡敏酸的主要含氧官能團有羧基、羥基和羰基。土壤胡敏酸的有機組分以脂肪族化合物為主，為57％-60％(其中70％左右為碳水化合物或多聚糖)，芳香碳21％-24％，羰基碳含量最低，為1

14、8％-19％，芳香度30％-33％，添加稻草后土壤胡敏酸的脂族特性增強。
　　 4)運用國際通用分級方法分析水稻土微團聚體組成及其有機碳分配，繼而探討水稻土大團聚體組成和穩(wěn)定性及其與有機碳的關系，結合定位試驗長期田間觀測數(shù)據(jù)估算了紫色水稻土碳儲量，闡明團聚體對有機碳的物理保護作用。油菜免耕、廂作免耕、綠肥免耕、壟作翻耕和廂作翻耕0-10cm大團聚體分別比對照(12％)增加23％、69％、9％、36％和28％，而10-20cm大團

15、聚體比對照低9％-38％。冬水免耕、油菜免耕和綠肥免耕0-10cm大團聚體中有機碳含量分別比對照增加13％、31％和32％，而10-20cm各處理有機碳濃度低于對照28％-54％，10-20cm大團聚體和微團聚體中碳濃度差異低于0-10cm。不同耕作方式下0-10cm土壤總有機碳儲量比對照增加8％-28％，而10-20 cm有機碳儲量低于對照4％-22％。傳統(tǒng)耕作轉變?yōu)楸Ｗo性耕作13年后0-10cm和10-20cm土壤有機碳固定率分別為

16、53gm-2y-1和25gm-2y-1，傳統(tǒng)耕作有機碳固定率分別為26gm-2y-1和33gm-2y-1。保護性耕作有利于紫色水稻土表層大團聚體形成和土壤總有機碳儲量提高。長期保護性耕作后稻田有機碳含量增加，可能提高土壤團聚體穩(wěn)定性，進而增強有機碳的物理保護能力。糊化作用和濕潤作用后紫色水稻土團聚體穩(wěn)定性差異不明顯，而保護性耕作顯著影響團聚體的穩(wěn)定性。糊化作用后團聚體水穩(wěn)性強弱順序為：壟作免耕＞廂作免耕＞冬水免耕＞水旱輪作，濕潤作用后團

17、聚體水穩(wěn)性強弱順序為：廂作免耕＞壟作免耕＞冬水免耕＞水旱輪作。糊化作用下團聚體穩(wěn)定性與有機碳含量相關性不顯著(r＝0.432)，濕潤作用下團聚體穩(wěn)定性與有機碳含量呈極顯著正相關(r=0.626**)。因此，保護性耕作顯著影響耕層團聚體組成，提高了大團聚體有機碳含量，增強了大團聚體的穩(wěn)定性，進而提高土壤有機碳儲量。
　　 因此，四川盆地紫色水稻土有機碳主要以胡敏素的形式得以穩(wěn)定存在，其次是胡敏酸。土壤胡敏酸和富里酸均以脂肪族化合物