杉木人工林土壤有机碳的稳定机制研究

摘要

近年来，CO2浓度倍增引起的全球变暖等环境问题已成为国内外科学家关注的热点，土壤作为陆地生态系统最大的碳汇载体，其碳储量超过了大气和植被碳的总量，土壤碳库的微小变化可能导致大气CO2浓度的巨大波动。因此，保持土壤碳库的稳定性对于缓解全球变暖趋势具有重要意义。大量研究表明，影响土壤有机碳稳定性的机制包括土壤生物化学稳定(Biochemical recalcitrance)机制、土壤矿物的吸附固定机制(Mineral-proected SOM)及土壤团聚体的物理保护机制(Physical protection by aggregates)，但在不同质地或不同矿物特征的土壤中，这三个作用机制在土壤有机碳形成和稳定过程中所起作用不同。由于影响土壤有机碳输入及其周转速率的因素十分复杂，目前对于不同气候区域、不同成土母质、不同质地土壤有机碳的内在稳定机制还不十分清楚。特别在人工林生态系统中，由于整地、施肥、间伐和采伐等频繁的人为干扰，使得人工林土壤有机碳稳定机制的研究更加困难，因此如何揭示人工林生态系统土壤有机碳的稳定机制成为当前科学界急需解决的重大课题。
　　本研究主要内容包括：⑴两种土壤生物化学稳定系数分别为18.63-32.11％和31.99-40.39%，表明杉木人工林土壤18%以上有机碳具有生物化学稳定性。不稳定碳库、顽固碳库与土壤总碳具有极显著相关关系，碳氮储量与不稳定碳的比例呈负相关，与不稳定碳大小和RIC显著正相关，表明了土壤有机质的质量影响了有机碳的形成过程。⑵有机质组成具有明显的密度组分之间的变化，随着土壤颗粒密度的增加，多糖、芳香性化合物、木质素含量显著下降，而含氮化合物显著上升。＜1.90非闭蓄态,＜1.90闭蓄态,1.90-2.20,2.20-2.40 g cm-3这4个组分13C相对于全土来说更小，表明来源更新，在化学组成上更不稳定；三个最重的密度组分中矿物吸附的有机物质以含氮化合物为主，且这三个重组组分富集13C，表明重组组分倾向于吸附分解程度较高的有机质，这确保了重组有机质不仅受到矿物的强大吸附，在自身性质上更为稳定。⑶从有机碳在重组组分的分布来看，杉木人工林红壤中约有41~49%的有机碳受到土壤矿物的吸附；46%~64%氮分布在矿物保护组分中。尽管两种土壤有机碳受到土壤矿物保护的数量相似，两种土壤中不同的矿物类型所起的保护作用不同。弱结晶硅铝酸盐矿物对南方杉木红壤的保护作用最小，花岗岩发育土壤在密度2.2-2.5g cm-3的含碳量和含氮量比例最高，表明层状硅酸盐矿物对花岗岩发育土壤的有机质有稳定作用，然而在粉砂岩发育土壤中，原生矿物对总碳的吸附比例在18~33%，总氮的吸附比例为26~41%，显然原生矿物对有机质的稳定作用高于层状硅酸盐矿物。⑷两种土壤>2000μm团聚体比例均大幅度提高，250-2000μm,53-250μm和<53μm组分比例下降，两个土壤平均重量直径显著增加，表明了经过培养小粒径的团聚体转化成大团聚体的趋势。粉砂岩发育土壤添加凋落物处理第7天(d)大团聚体比例显著高于对照，花岗岩发育土壤粉粘粒比例显著低于对照，对照处理培养30 d后不同团聚体组分比例与凋落物处理无差异，表明土壤自身具有恢复团聚结构的能力，但外源有机质的输入促进了这一过程。⑸团聚体内的δ13C测定证实培养第7 d两种土壤250-2000μm大团聚体分别有16%和28%外源碳输入，显著增加250-2000μm大团聚体的总碳含量，凋落物源有机碳的富集促进了250-2000μm粒径组分总碳的增加。花岗岩发育土壤粉粘粒总碳在培养第1d就有明显的增加，粉粘粒中凋落物源碳通过凋落物分解产生的可溶性有机质的形式吸收。⑹添加外源碳显著促进了全土和团聚体真菌的生物量，抑制了革兰氏阳性菌和细菌的相对含量，提高了真菌:细菌比。粉砂岩发育土壤添加凋落物处理优势磷脂脂肪酸为不饱和脂肪酸18:2ω6c,18:1ω9c和17:1ω7c，这些脂肪酸用于表征真菌和革兰氏阴性菌，未添加凋落物处理则以表征革兰氏阳性菌的支链饱和脂肪酸为优势脂肪酸，PCA分析结果表明花岗岩发育土壤添加凋落物处理具有更高的革兰氏阴性菌和真菌丰度，对照处理优势磷脂脂肪酸为表征革兰氏阳性菌和放线菌的饱和脂肪酸，表明了添加凋落物促进了真菌的生长，提高了革兰氏阴性菌在团聚体的分布。PCA结果显示，粉砂岩发育土壤>2000μm大团聚上主要为革兰氏阴性菌和放线菌，53-250μm微团聚体上主要微生物类型为革兰氏阳性菌，分布的脂肪酸类型为支链不饱和脂肪酸，<53μm粉粘粒组分上主要分布革兰氏阴性菌。花岗岩发育土壤条件下，不同团聚体磷脂脂肪酸构成变异较大。

目录

声明

缩略语一览表

第一章 引言

1 立题依据

2 国内外研究进展

2.1 土壤有机碳的生物化学稳定性研究

2.2 土壤有机碳的矿物稳定研究

2.3 土壤有机碳的团聚体物理保护作用研究

3 技术路线

第二章 杉木人工林土壤有机碳的生物化学稳定机制

1 研究区概况

2 研究方法

2.1 土壤取样

2.2 土壤基本理化性质测定

2.3 土壤有机碳储量测定

2.4 土壤活性有机碳测定

2.5 土壤有机碳的生物化学质量测定

2.6 数据统计与分析

3结果与分析

3.1 杉木人工林土壤有机质的储量研究

3.2 杉木人工林土壤有机碳的生物化学稳定性研究

4 讨论

5小结

第三章 杉木人工林土壤有机碳的矿物学稳定机制

1 材料与方法

1.1 供试土壤

1.2 不同密度有机-矿物复合体分级

1.3 矿物结构分析

1.4 碳氮和 13δ分析

1.5 有机质组成分析与鉴定

1.6 数据统计与分析

2结果与分析

2.1杉木人工林土壤矿物结构及其稳定有机质的特征研究

2.2 杉木人工林土壤矿物对有机碳的稳定研究

3讨论

3.1 杉木人工林土壤不同有机-矿物复合体的有机质特性

3.2 杉木人工林土壤不同有机矿物复合体的来源和分布特点

4 小结

第四章 杉木人工林土壤有机碳的团聚体物理保护机制

1 材料与方法

1.1 供试土壤和材料

1.2 试验设计

1.3 13C稳定同位素分析

1.4 土壤有机碳形态分析

1.5 团聚体的稳定性分析

1.6 团聚体有机碳的来源分析

1.7 团聚体的微生物群落分析

1.8 数据统计与分析

2结果与分析

2.1 基于 13C稳定同位素技术研究土壤有机碳形态的变化研究

2.2 基于 13C稳定同位素技术研究土壤团聚体对有机碳的物理保护研究

3讨论

3.1外源有机质添加对杉木人工林土壤矿化的影响

3.2外源有机质添加对杉木人工林土壤团聚体形成过程

4小结

第五章 主要研究结论

创新点

1在研究的系统性和综合性方面有创新

2研究方法有一定新颖性

参考文献

攻读学位期间的学术论文与研究成果

致谢