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旱地改稻田对土壤团聚体有机碳、全氮含量及其稳定性的影响

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浏览:- 发布日期:2020-05-11 15:05:18【

土壤团聚体是土壤有机碳、全氮固定和物质能量转化的重要场所,不仅可以保护土壤有机质也可以延迟其矿化,由于各粒级团聚体对土壤有机碳、全氮的保护机制不同,因此对土壤有机碳、全氮的固持也存在差异。大团聚体主要是通过根系、真菌菌丝等胶结而成。在大多数情况下,有机物先与其结合,碳浓度最高且周转率最快,而微团聚体受芳香族化合物束缚,碳周转速率较低。种植20多年的南方稻田和旱地土壤的研究表明,稻田和旱地土壤有机碳含量均主要分配在2—0.25mm和0.25—0.053mm团聚体中,与旱地土壤相比,稻田土壤降低了2—0.25mm团聚体有机碳的比例,但提高了其他粒级团聚体有机碳的比例。

研究表明,旱地转变为稻田27年后显著提高了2—0.25mm、0.25—0.053mm团聚体有机碳含量,但其他粒级团聚体有机碳含量则无显著变化。对东北黑土区种稻大于50年的水稻土研究表明,2—0.25mm团聚体是赋存有机碳的主要载体,具有明显的固碳能力。

稻田土壤中有机碳含量的变化与大团聚体紧密相关,各粒级团聚体有机碳含量随种稻年限的延长而增加。

研究表明,稻田土壤有机碳可向微团聚体和粉黏粒中转移以利于有机碳的长期赋存。本研究中,旱地改种稻田后各粒级团聚体中有机碳、全氮含量的变化大致相同,土壤有机碳、全氮含量与土壤团聚体组成之间紧密相关,在改种水稻年限较短时(3年间),各粒级团聚体中有机碳、全氮含量下降,这主要是由于土地利用方式的改变使土壤中各粒级团聚体遭受不同程度破坏,进而加速了有机碳(氮)分解和周转速率;在改稻田3—25年间,2—0.25mm、0.25—0.05mm团聚体有机碳、全氮含量则有所增加,这主要是由于随着改种年限延长,淹水条件可延缓土壤有机质的分解速率,降低土壤有机碳、氮的矿化速率,同时由于大团聚体破裂为微团聚体,使其微团聚体易与有机质粘结。由此可见,东北黑土旱地改稻田25间,2—0.25mm、0.25—0.053mm团聚体是土壤有机碳、全氮赋存的主要粒级,对有机碳(氮)的物理保护发挥重要作用。

采用δ13C可以研究土壤有机碳的动态变化,土壤的δ13C随时间的变化主要受植被输入的有机碳控制,植物残体进入土壤后在微生物作用下可发生矿化分解过程和腐殖化过程,致使土壤的δ13C会与植物本身的δ13C有所不同;其次由生物衰变过程控制,土壤有机碳分解过程中微生物对12C的优先分解会引起土壤δ13C增高,δ13C越大,其有机碳的降解程度越低。大豆和水稻均属于C3作物,其δ13C介于-29.1‰—-24.2‰,水稻的平均δ13C为-26.34‰。

本研究中,长期连续种植大豆的旱地,在改种水稻年限较短时(3年),由于土地利用方式及植被类型的改变,新鲜有机质会不同程度进入到不同粒级团聚体中,但又由于水稻单产显著高于大豆单产,对土壤养分的需求大幅度增加,同时大团聚体遭受破坏,加速土壤中易分解有机碳的分解使碳同位素分馏效应增加,因此,致使旱地改稻田3年间各粒级团聚体中δ13C均有所增加,这与课题组前期关于旱地改稻田土壤δ13C的变化结果相一致;在旱地改稻田5—25年,由于大量水稻根系和地上残体归还土壤使有机碳得到补充和更新,又由于稻田土壤环境逐渐趋于稳定可使有机碳分解缓慢,进而使各级团聚体中δ13C均有所降低,但随种稻年限延长变化较为平缓。

新鲜有机碳的赋存一般从大团聚体(>0.25mm)开始,经过分解过程和微生物消耗后,降解的有机碳则被螯合在微团聚体(小于0.25mm)中,植物残留物的腐殖化作用会伴随着13C的轻微富集。本研究中,团聚体的粒径越小,其δ13C越大,这也说明团聚体粒径越大,赋存新鲜有机碳越多,另外,相同年限各粒级团聚体中δ13C随土层加深而增大(表5),这进一步说明,外源新鲜有机碳不能及时地进入补充到深层土壤,同时深层土壤有机碳相对较“老”,矿化分解速度较慢。