论文部分内容阅读
稻田土壤作为我国特色代表性土壤，其有机碳增长速率明显大于旱作土壤，固碳潜力较大，其中以南方双季稻种植区稻田的固碳能力最强。本课题组前期关于亚热带地区一种稻田土壤有机碳(SOC)矿化的研究发现，稻田土壤中有机底物和原有有机碳的矿化速率均显著低于邻近的旱作土壤，从而可能贡献于稻田土壤较高的有机碳积累。但是这一现象在不同类型稻田土壤中是否普遍存在，其相关的机理如何还不清楚。因此，本研究选取我国亚热带地区四种不同母质（花岗岩风化物、第四纪红土、板页岩风化物、河流冲积物）发育的典型稻田土壤，并以邻近旱作土壤作为对照，分别在45％和105％田间持水量(WHC)条件下室内模拟培养180 d(25℃)，研究稻田土壤有机底物和原有有机碳的矿化动力学特征;分析有机底物分解转化产物在土壤水稳性团聚体与有机质组分中的分配;探讨有机底物分解转化过程中土壤有机质组分化学结构特征的变化，以揭示稻田土壤有机碳矿化的关键物理化学作用机理。主要研究结果如下: (1)在180 d培养期内，45％和105％WHC条件下有机底物在所选四种稻田土壤中的矿化率分别为18％～21％和10％～14％，显著低于邻近的旱作土壤（21％～28％和12％～16％）;有机底物对土壤原有有机碳矿化的激发效应也是以稻田土壤（5％～30％和-12％～8％）明显低于旱作土壤（17％～65％和7％～56％）。上述结果表明，所选几种稻田土壤中有机底物和原有有机碳的矿化率均一致地低于邻近的旱作土壤，具有普遍性。 (2)整个培养期间，45％和105％ WHC条件下稻田土壤中有机底物的分解转化产物向SOC分配的比率分别为29％～33％和38％～48％，明显大于邻近的旱作土壤（26％～29％和28％～31％）。具体而言，45％和105％ WHC条件下稻田土壤中有机底物的分解转化产物向2000～250μm粗团聚体SOC中的分配比率分别为10％～13％和13％～17％，而对应的邻近旱作土壤则明显较低，分别为6％～7％和9％～10％，其他粒径无显著性差异。可见，稻田土壤中2000～250μm粗团聚体对有机底物分解转化产物的物理保护作用大于旱作土壤。 (3)稻田土壤中有机底物的分解转化产物向颗粒有机碳(POC)、微生物生物量碳(MBC)、铁铝键合态有机碳(Fe/Al-OC)、腐殖质碳(HMC)分配的比率在45％ WHC条件下分别为15％～21％、6％～7％、17％～24％和14％～15％，在105％WHC条件下分别为22％～26％、7％～9％、24％～27％、28％～31％;而对应的邻近旱作土壤中45％WHC下分别为9％～17％、2％～4％、13％～18％和11％～13％，105％ WHC条件下分别为18％～23％、2％～3％、15％～20％和20％～24％。有机底物向有机质各组分转化分配的比率均以稻田土壤高于对应的旱作土壤。但是，稻田土壤中有机底物向可溶性有机碳碳(DOC)分配的比率（45％ WHC为0.1％～0.3％;105％ WHC为0.1％～0.3％）则低于对应的旱作土壤（45％ WHC为0.2％～0.7％;105％ WHC为0.6％～0.8％）。因此，相比于旱作土壤，稻田土壤中有机底物经微生物分解转化的产物受团聚体物理保护和矿质成分的化学保护作用较强，促进了有机底物在稻田土壤中的较高积累。 (4)以第四纪红土发育的稻田和旱作土壤为例，采用热裂解气相质谱(Pyr-GC/MS)技术对培养前后(45％WHC)土壤颗粒有机质(POM)的化合物组成分析表明，稻田和旱作土壤中POM的热裂解产物均以脂肪族化合物为主（主要为植物源化合物），其次是木质素类化合物，并检测到少量的蛋白质类化合物。培养结束后，未添加有机底物稻田土壤中木质素类和脂肪族类化合物的相对含量分别为23％和42％，较培养前（分别为28％和65％）均有降低;而旱作土壤中并未检测到木质素类化合物，化合物种类明显减少，仅剩部分脂肪族类化合物存在，导致其相对含量反而高于培养前。添加有机底物后，稻田土壤木质素化合物和脂肪族类化合物的相对含量分别为41％和45％，较未添加处理均有增加;而旱作土壤仅有木质素类化合物的相对含量有所增加(9％vs0％)，脂肪族化合物的相对含量则降低(51％ vs88％)。此外，与未添加有机底物相比，稻田土壤中植物源脂肪族化合物增加了8％，微生物源脂肪族化合物的比例减少了6％，而旱作土壤则分别减少了3％和34％。可见，有机底物添加对稻田土壤木质素和脂肪族化合物含量的促进作用强于旱作土壤，且脂肪族化合物的增加主要来源于植物源（即底物）化合物的贡献所致，木质素和植物源脂肪族化合物的疏水特性减缓了土壤有机质的分解，从而贡献于稻田土壤有机质的有效积累与稳定。