稀土元素标记团聚体周转研究方法的探讨

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有机物腐解过程中促进团聚体形成,而团聚体又有利于有机碳的保护。目前已经形成共识,认为团聚体物理保护是土壤有机质周转的关键机制。虽然有机质周转与团聚体形成密切联系,但是有机质腐解过程中团聚体是由哪些小团聚体形成尚未清楚,有机质矿化过程中大团聚体又破碎成哪些小团聚体仍然不明白,也不清楚有机质如何进入团聚体。导致这一知识鸿沟的关键原因是还没有一个示踪团聚体周转路径的可行方法,也导致团聚体动态模型模拟研究难以取得突破。为了解决团聚体周转的问题,本课题组最近提出稀土氧化物(REO)标记团聚体的方法,每一粒级团聚体用一个元素标记,并提出了团聚体周转路径和周转时间的模型(Peng et al.,2017)。但是,目前还没有摸索出最佳的标记方法。为此,本研究首先比较自然团聚体和人为团聚体两种类型,REO标记团聚体的干混法和湿混法两种方法,根据标记回收率、湿筛回收率和REO在团聚体中的分布等指标评价REO标记团聚体最佳方法,然后利用REO标记好的土壤团聚体和添加13C-葡萄糖进行培养试验验证,计算有机碳驱动下土壤团聚体周转过程、周转速率及其新13C累积的关系。供试土壤为第四纪红黏土,风干后一部分土壤过2mm,另一部分过0.25mm。<2mm土壤团聚体简称为自然团聚体。<0.25mm的土壤通过添加有机物、湿润和25℃培养,再湿筛分级的土样为人为团聚体。湿混法为REO与水配置成悬浊液,均匀喷洒在土壤中;干混法是粉末状的REO与土壤直接混合。在REO标记好的土壤团聚体中添加13C-葡萄糖,然后进行恒温恒湿培养,实验分为四个处理:i)非REO标记的团聚体和不添加13C-葡萄糖为对照处理(CK);ii)REO标记的团聚体(REO);iii)非REO标记的团聚体和添加13C-葡萄糖(13C);iv)用REO标记的团聚体并添加13C-葡萄糖(REO+13C)。在培养期内定期测定土壤呼吸、并在0、7、14、28和56天破坏性采样,湿筛分级团聚体、分析各团聚体中REO和13C含量。本论文取得的主要结果如下:  (1)针对自然团聚体,在REO标记回收率方面,REO的湿混法(70%)略低于干混法(77%),但是湿混法在湿筛回收率(105%)显著高于干混法(84%),同时湿混法的REO在各粒级团聚体中分布均匀度显著优于干混法。针对人为团聚体,湿混法的标记回收率(80.7%-81.0%)和湿筛回收率(85.6%-92.3%)均低于干混法(95.8%-97.3%和96.9%-98.9%)。同时,干混法的REO在各粒级团聚体中分布均匀度显著优于湿混法。纳米CT扫描结果表明自然团聚体的孔隙结构比人为团聚体的异质性高。同步辐射微束X射线荧光分析(μ-XRF)表明REO在湿混法标记的自然团聚体中存在高浓度位点,而REO在干混法标记的人为团聚体的空间分布比较均匀。因此,研究自然团聚体周转,则采用REO湿混法较好;而以人为团聚体为研究对象则干混法好。  (2)以REO干混法标记的人为团聚体为研究对象,添加13C葡萄糖后室内恒温恒湿条件下培养56天,结果表明REO对土壤生物活性没有影响(P>0.05)。添加葡萄糖显著提高CO2,也显著提高了团聚体稳定性(P<0.001)。湿筛后REO回收率达到91%-110%,所测定的土壤团聚体和REO预测的土壤团聚体存在近1∶1线性关系(R2>0.77,P<0.001),说明REO是团聚体周转的理想示踪剂。从各粒级团聚体迁移路径来看,团聚体相邻粒级之间的周转比重较大。大团聚体周转速率要大于小团聚体,添加外源葡萄糖显著提高了周转速率。与小团聚体相比,大团聚体内新13C积累和降解的速率更快。添加葡萄糖能够加快大团聚体的周转速率,>0.25mm团聚体的周转与该粒级团聚体内部的新碳含量呈明显正相关关系(P<0.05)。添加外源有机碳,培养56天期间2-5mm团聚体周转时间为205天,而<0.053mm团聚体周转时间为562天。
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