不同土地利用方式土壤有机碳结构及矿化特征

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20世纪50年代末期,围湖造田作为一种特殊的土地利用方式开始在我国沿河沿湖流域盛行。这种特殊的人类活动不仅使水域面积和湿地面积大大减少,而且改变了原有的自然生态演替。目前,关于围湖造田后土壤有机碳动态变化的研究还很少,因此对该土地利用方式对区域碳循环的影响也缺乏了解。本研究选取了太湖流域肖甸湖区湖泊围垦后形成的常绿阔叶林(EBF)、针叶林(CF)、竹林(BF)以及农业用地(CL)四种典型的土地利用方式。测定并分析了四种土地利用方式下土壤0-25cm层有机碳的内在化学组成和结构特征,及土壤有机碳动态特征。研究结果表明:(1)围湖造田后不同土地利用方式的土壤溶解性有机质的组成和含量具有显著差异,且不同实验方法的应用也显著影响土壤溶解性有机质的含量和性质。在四种土地利用方式中,BF的热水提取C(DOCHW)和冷水提取C(DOCCW)的含量较高。不同实验方法的应用下土壤DOC的含量大小在趋势为热水提取C>冷水提取C>盐提取C(DOCCaCl2)。而且,DOCHW分别与DOCCaCl2和DOCCW(EBF除外)具有显著的相关性。DOCCW与土壤微生物生物量碳显著相关,而DOCHW和DOCCaCl2与土壤SOC和TN显著正相关,且土壤pH值和土壤容重都呈负相关关系,但与微生物生物量碳相关性不显著。(2)光谱特征表明不同土地利用方式土壤溶解性有机质(DOM)的化学结构也有很大的差异性。其中BF土壤DOM在最长波长处具有最大荧光吸收峰。傅里叶变换红外光谱分析显示所有DOM样品中均含有C-H,芳香C=C以及碳水化合物C-O这几个典型的特征结构。DOM的红外光谱中波数比值1120/1335代表着碳水化合物-C与C-H3C的比值,且在0~10cm土层表现出的大小顺序为CL>EBF>CF>BF;而代表芳香-C与脂类-C比值的1630/2920最大值和最小值分别出现在BF土壤和CL土壤中。芳香性指数(SUVA254)和腐殖化指数(HIXem)的结果表明BF和CF土壤DOM含有更多芳香类结构;森林土壤DOM的腐殖化程度比农田土壤DOM更高,而针叶林又比阔叶林土壤有机质中含有更丰富的芳香结构和酚类化合物。另外,DOM的生物降解性与其化学结构特征具有显著的相关性。微生物来源比例高,腐殖化程度和芳香性都低的DOM,其生物降性就大;反之,含芳香结构,酚类化合物多,腐殖化指数大的DOM,其微生物降解性就低。(3)不同土地利用方式和湖泊沉积物中CO2-C累积矿化量为0.88-7.72g· kg-1,且在不同土层间表现出显著的差异性。竹林土壤有机碳的累积矿化量显著大于其它几种土地利用方式,但矿化率却小于其它土地类型;EBF土壤有机碳的矿化率在0~10cm土层显著高于CF。土壤有机碳矿化动力学分析结果显示在0~10cm土层,CL土壤有机碳的活性碳库和稳定碳库的驻留时间均大于其它土地利用方式土壤;但是在10~25cm土层,易变碳库在EBF土壤具有较长的平均驻留时间,而有机碳的稳定碳库的最大驻留时间出现在BF。不同土地利用方式土壤有机碳矿化过程与该土壤的理化性质密切相关。CO2-C累积矿化量随土壤有机碳、全氮、C/N、DOC以及微生物生物量碳含量的增加而显著增加,但与土壤容重呈显著负相关。本研究中湖泊沉积物有机碳的累积矿化量、矿化率以及易变碳库比例都大于陆地土壤,且其易变碳库和稳定碳库的平均驻留时间又都比陆地土壤有机碳短,表明了水生生物来源的有机质比陆地来源的有机质更容易被微生物分解利用。(4)在土壤矿化培养结束后DOM中的亲水组分(Hi),碳水化合物(CH)和酚类化合物(Phe)在DOM中所占的比例在各土地利用方式除(农田除外)均呈增加趋势,但是Phe增加的比例大于CH和Hi。另外,代表DOM化学特征的SUVA254、HIXem和FE的值在土壤培养结束后均增大,表明随着矿化的进行,碳水化合物等易变组分被微生物优先利用,使越来越多具有芳香性的,高腐殖化程度的有机组分被累积下来。有机碳矿化累积所释放的CO2-C与SUVA254负相关,而SUVA254在矿化过程中的增加量呈正相关。另外,土壤有机碳的矿化累积与DOM的FE和HIXem指标及该指标在矿化过程中的增量分别负相关和正相关关系。土壤C矿化与土壤DOM的化学性质的关系表明了土壤DOM的化学组分和结构特征是影响土壤有机碳动态的内在因素。
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