农田生态系统中土壤有机碳研究精品资料文档格式.docx
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在化学分组上,根据其腐烂分解过程中是否形成具有特异性质的有机化合物,土壤有机碳可分为两大类,一类为非腐殖物质,其化学结构已经明确,可能来源于植物残体降解物,也可能是微生物新合成的有机物,如糖、蛋白质和木质素等;
另一类为腐殖物质,其化学结构尚未明确,采用酸或碱提取的含苯环结构的一系列呈褐色或黑色的非晶型有机化合物,如胡敏酸(humicacid,HA)、富里酸(fulvicacid,FA)和胡敏素(humin,HM)。
土壤有机碳的60%以上为腐殖物质。
依据有机碳在土壤中的物理形态和作用进行颗粒分组:
游离态颗粒有机物(freeparticulateorganicmatter,fPOM)、闭蓄态颗粒有机物(occludedparticulateorganicmatter,oPOM;
或intraaggregatePOM,iPOM)、矿物结合态有机物(mineralassociatedorganicmatter,MOM)和可溶性有机物(dissolvedorganicmatter,DOM)。
fPOM主要由大颗粒的没有完全降解的生物残体形成,并存在于土壤团聚体外部相连的大孔隙中;
oPOM为存在于团聚体内部的难降解的有机物;
MOM为与土壤粘粒和粉粒紧密结合的有机物,一般为生物残体降解的最终形态;
DOM为可溶于水的能通过0.45μm微孔滤膜的有机物,在不同土壤微结构中普遍存在[3,9]。
土壤团聚体是以土粒为基础而形成的土壤结构的基本单位。
土壤团聚体的分组和土壤有机碳的颗粒分组同属物理分组,其中,水稳性团聚体是团聚体中最重要部分,而土壤有机碳和水稳性团聚体的形成密切相关。
水稳性团聚体一般是采用湿筛和震荡进行土壤崩解处理后得到,然后按照粒径大小进行分组[4,8-9],以250μm为界限将团聚体分为大团聚体(macroaggregates,A)和微团聚体(microaggregates,M)。
A以2000μm为界可分为A1和A2,A1和A2还可分别以5000μm和1000μm为界续分;
M以分53μm为界续分为M1和M2,M2可进一步续分为<2、2~5、5~10、10~53μm。
土壤有机碳和团聚体是衡量地力的重要指标,其对土壤地力具有多方面的作用。
土壤有机碳具有三大作用,即作物养分的重要来源[10]、提高土壤的保蓄性和缓冲性、改善土壤物理性质。
土壤团聚体在地力提升中也具有三大作用,即扩增土壤的水分养分容量、提升土壤微生物活性和功能、形成良好的土壤孔隙结构。
2土壤有机碳对团聚体形成和稳定的作用机制
土壤团聚体主要是通过动植物残体及其分泌物或微生物等有机物与土粒胶结形成,其过程极其复杂。
前期研究者认为土壤团聚体的形成过程主要有2种截然相反的模式,一种认为土壤是由小团聚体团聚后再形成大团聚体[13],颗粒有机碳与粘粒或微生物粘液结合形成微团聚体,然后相互作用形成大团聚体。
另一种则认为先形成大团聚体,再于其内部的有机碳颗粒周围形成小团聚体,或大团聚体由于有机碳分解而破碎形成小团聚体。
基于以上2种模式,关于有机碳对团聚体的形成过程的作用主要形成了以下3个阶段和假说:
(1)Edwards和Bremner于1967年提出团聚体形成的有机无机键和复合体形成模型,团聚体是由粘粒通过阳离子键和极性有机物形成,即有机无机的复合过程。
这种模型一般适用于粘粒含量较高团粒结构丰富的土壤,且在粘性土壤中得到了广泛的研究和验证[15];
(2)Tisdall和Oades于1982提出团聚体的等级发育模型,认为土壤团聚体由微团聚体向大团聚体逐级连续层次性形成。
1984年Oades进一步作了重要修改,认为微团聚体能够形成于大团聚体中心,植物根系和微生物菌丝可以通过缠绕作用直接形成大团聚体。
这种模型有利于解释oPOM和MOM形成稳定微团聚体的机制,即有机碳先在大团聚体中累积,在大团聚体内部逐渐形成并结合到微团聚体中,而后和微团聚体一起释放出来形成稳定的不易分解的土壤有机碳,而累积在大团聚体中的有机碳则是容易分解的fPOM和DOM。
这种模型在大团聚体逐级降解的研究中得到了验证;
(3)Six等[8]于1998年提出了大团聚体周转模型,认为微团聚体的形成有赖于颗粒有机物,颗粒有机物增加能够提升大团聚体含量,而其降解则能导致大团聚体的破碎从而释放出微团聚体。
并于2000年和2002年进一步完善了该模型,并发展了基于土壤有机碳的胚胎发育模型,认为新鲜有机碳加入土壤后,在微生物的降解下,一部分与土壤矿物结合促进土壤团聚体的形成,余下的fPOM则为微生物继续降解。
与此同时,形成的团聚体则反过来阻塞有机碳于大团聚体内,从而对有机碳进行物理保护,使土壤有机碳得到积累。
当fPOM被微生物分解殆尽时,微生物就会开始破坏土壤大团聚体的有机胶结剂,从而降低土壤团聚体的稳定性,并使土壤有机碳减少。
以上研究主要集中于团聚体形成过程的理论机理模型,而实际田间土壤团聚体是经过一系列物理、化学和生物的作用而形成的,已有研究对其形成机理并无统一明确的认识,仍需进一步的深入研究。
土壤团聚体数量和形态能否保持稳定(尤其是水稳定)能够显著影响土壤肥力、结构和功能。
土壤团聚体的稳定性对于土壤结构和地力极其重要,且和有机碳水平之间密切相关。
团聚体与有机碳结合会提升团聚体的稳定性。
土壤湿润时团聚体中闭蓄空气的压力与胶结物质粘结力之间的相对变化决定着土壤团聚体的水稳定性[21]。
土壤团聚体的大小及其稳定性往往随着土壤总有机碳含量的增高而增加。
有机碳既能增加团聚体之间的相互作用和抗破碎能力,又能降低水分湿润锋在土壤界面中的前进速度,从而提高团聚体稳定性。
杨莹莹等[22]研究发现,红壤中水稳性团聚体粒径大小与有机碳含量呈显著正相关。
王哲峰等[13]在对干旱农牧交错带的草原土壤的研究中发现,碳水化合物(尤其是稀酸提取的碳水化合物)是影响水稳性团聚体形成和稳定的关键因素,耕种显著降低了土壤有机碳含量,进而显著降低了土壤结构稳定性。
3土壤团聚体对有机碳累积的作用机制
土壤团聚体能够对有机碳进行保护而促进有机碳的稳定和累积。
团聚体储存有机碳组分和能力随着其粒径不同而变化。
一般来说,与小团聚体相比,大团聚体中具有更多的有机碳,Abdollahi和Schjø
nning通过长期试验发现团聚体对多聚糖有机碳的累积具有重要影响,MOM在土壤有机碳的中期周转更新中具有重要作用,但粉粒结合态的有机碳则参与了长期的土壤有机碳循环。
周萍等发现有机碳含量在大团聚体(200~2000μm)和微团聚体(<2μm)中最高,而在中小团聚体中分布较少,而易氧化态碳主要存在于大团聚体中,该粒级团聚体主要作为新增碳源的载体。
张曼夏等[28]认为大团聚体(>0.25mm)在土壤团粒结构中占主导地位,并且随着团聚体粒径的增加,土壤有机碳含量呈下降趋势。
郭素春等[29]报道烷基碳/烷氧碳比值随着团聚体粒径的减小而增加,说明有机碳的分解程度是随着团聚体粒径的减小而增加的。
O’Brien等利用C3和C4作物自然13C丰度差异发现了微团聚体中有机碳形成时间早于大团聚体。
李江涛等的研究表明土壤颗粒有机物的含量随着土壤团聚体粒径的增加而降低,而C/N比为降低趋势。
总之,在目前已有研究基础上,根据土壤团聚体对于有机碳的保护机制(图1)可以将土壤有机碳库分为4类:
(1)粘土矿物保护态碳库。
土壤粘粒含量和粘土矿物类型显著影响着土壤有机碳的稳定性。
土壤粘土矿物(粘粒和粉粒)由于具有巨大的比表面积和表面电荷,能够与有机碳紧密结合形成有机-无机复合体[32],这部分有机碳非常难以降解,属于土壤有机碳中极稳定的碳库(;
2)微团聚体保护态碳库。
土壤微团聚体主要通过物理机制来减缓土壤有机碳降解。
主要体现在2个方面,一个是微团聚体内的孔隙极小,能够在土壤微生物和酶及有机碳之间形成屏障,阻碍了微生物对有机碳的降解,另一个是团聚体影响了微生物食物网络代谢和周转[17],据已有研究有机碳在微团聚体内存在可长达100多年[9]。
可见该碳库难以降解,能够促进土壤有机碳的累积和提升;
(3)大团聚体保护态碳库。
存在于大团聚体中的碳库,通过生物化学作用来维持土壤有机碳,主要是土壤微生物通过自身活动分泌或其躯壳形成的稳定有机物从而积累有机碳[33](;
4)非保护态碳库。
主要是指土壤中易于降解的有机碳,如植物根系分泌的小分子有机酸、可溶性糖等,以及作物秸秆降解及微生物活动分泌的DOM等。
这部分有机碳极易被氧化或被微生物所利用,能够快速释放养分供作物吸收,但是对土壤有机碳的累积和土壤固碳没有显著效果。
4农田管理措施对土壤有机碳和团聚体的影响
农田生态系统的物质循环和能量传输受到人类活动的极大影响。
在进行土壤有机碳和团聚体的研究中,人类活动所产生的扰动和影响不可忽视,而这些影响主要体现在耕作、施肥和秸秆还田等农田管理措施上。
耕作对土壤结构进行了强烈的破坏,而免耕则降低了大团聚体的破碎,为细颗粒有机碳提供储存场所,降低了细颗粒有机碳的降解速率,进而促进了土壤有机碳的提升。
苑亚茹等的研究结果显示,水稳定性土壤团聚体在种植农作物条件下显著低于长期植被自然恢复的草地,表明耕作通过物理扰动极大地破坏了大团聚体,且加速了土壤有机碳的降解。
施肥往往有利于土壤有机碳的累积,其原因在于施肥能够提高植物根系分泌物含量,且施用有机肥能够直接往土壤中输入外源有机碳。
徐江兵等指出长期施肥能够显著提升团聚体中轻组有机碳、粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳和MOM含量,且微团聚体中有机碳大部分为MOM。
长期施用有机肥或配施无机肥可以提高微团聚体内的fPOM和大团聚体内的微团聚体中的POM[38]。
秸秆还田是农田土壤有机碳的重要来源,对有机碳和土壤团聚体具有重要影响。
吴海勇等的研究表明,秸秆还田增加土壤中有机碳含量,降低土壤溶质,增加土壤孔隙度,有利于水稳性大团聚体的形成,进而提高土壤的稳定性,形成良好的土壤结构。
郝翔翔等对黑土连续8年进行秸秆还田,发现秸秆能够显著提升大团聚体和各级团聚体内的有机碳含量,同时秸秆还田使得有机碳在大团聚体中的比例增加。
博国栋等发现,土壤有机碳随秸秆还田量的增加而增加,高量秸秆还田对改良烟田土壤结构有良好的效果,土壤有机碳与团聚体平均重量直径、几何平均直径及分形维数呈极显著正相关,表明增加土壤有机碳能够改良土壤结构。
5土壤有机碳和团聚体相关研究的新技术
5.1同位素示踪示踪法采用的同位素可分为稳定性和放射性2种,能够用于定量区分土壤团聚体中有机碳周转和分布。
(1)稳定性同位素示踪法(13C自然丰度法):
土壤有机碳主要来自植物残体,而不同的光合类型植物(C3和C4)具有不同的13C含量,进而形成具有13C差异的土壤有机碳,因此可以用于定量化有机碳的周转及示踪土壤团聚体中有机碳的去向[42]。
尽管13C自然丰度能均匀标记作物秸秆,且由于其无污染可供土壤长期标记试验等优势,但其应用范围必须是实验土壤与种植的植被有显著不同的13C含量,故在实际应用中往往
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