重庆农田有机碳稳定同位素的分布及活性铁铝矿物对土壤固碳的影响

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土壤有机碳库作为土壤碳库中最大的碳库,约为植被碳库的3倍,大气碳库的2倍。土壤有机碳储量的微小变化就会导致大气中CO2浓度发生较大波动,因此土壤碳循环对全球气候变暖具有重大影响。有机碳稳定同位素可以示踪大时间与空间尺度上的土壤碳循环过程,能有效地指示碳的动态变化以及土壤碳的源与汇,是研究土壤碳循环的重要手段。过去由于技术手段的限制,所以缺乏对大空间尺度上土壤有机碳稳定同位素分布的深入研究。土壤固碳被认为是实现碳中和,减缓气候变暖的重要途径;而活性铁铝矿物固碳作为土壤固碳的重要机制,量化其固碳量对于更好的了解土壤碳稳定性,提高土壤固碳能力具有重要意义。因此,本研究以重庆远离工业区和城区的182块典型农田剖面土壤作为供试对象,测定了土壤有机碳稳定性同位素值(δ13CSOC)以及活性铁铝矿物固碳量(OCFe-Al),以期为农田土壤有机碳稳定同位素的分布以及活性铁铝矿物在土壤固碳的重要性提供依据。主要研究结果如下:1、土壤有机碳含量(SOC)的分布重庆农田土壤表(0~30 cm)、中(30~60 cm)、底(60~100 cm)三层SOC含量平均分别为8.88±3.55、5.09±3.11、3.19±1.7 g·kg-1;SOC含量明显随着土壤深度的增加而减少(p<0.01)。土壤表、中层SOC含量大体呈现渝东北较高,渝中部地区较低的趋势,渝西和渝东南则处于中间;底层土壤SOC含量在渝东南地区也表现出较高水平。不同土壤类型、耕作制度、作物类型以及地形下SOC含量存在差异。就土壤类型而言,表、中层SOC含量均以石灰岩土最高(表、中层均值分别为13.69±5.01、6.91±2.96 g·kg-1),紫色土最低(表、中层均值分别为6.83±2.53、3.88±1.65 g·kg-1)。底层土壤SOC含量则以黄壤最高,紫色土最低。在三种耕作制度中,表、中、底三层SOC含量均表现为水田最高,旱地最低,水旱轮作地则处于两者之间。不同土层水田SOC平均含量分别为9.88±2.98、5.99±2.12、3.55±1.92 g·kg-1;水旱轮作地SOC平均含量分别为9.47±2.24、5.50±2.28、3.55±1.26g·kg-1;旱地SOC平均含量分别为8.63±2.19、4.91±2.02、3.06±1.62 g·kg-1。就作物类型而言,表层SOC含量表现为种植C3作物的SOC含量最高(平均为9.35±3.59 g·kg-1),种植C4作物的SOC含量最低(平均为7.18±2.03 g·kg-1);中、底层SOC含量则为C3>C4>C3C4轮作。三种地形中,表、底层SOC含量均表现为缓坡地最高(表、底层均值分别为8.90±3.01、3.30±1.61 g·kg-1),陡坡地最低(表、底层均值分别为7.55±3.35、2.57±1.49 g·kg-1);中层SOC含量则以平地最高(平均为5.10±2.30 g·kg-1),陡坡地最低(平均为4.65±2.06 g·kg-1);对年均气温、年均降雨量、海拔、坡向、土壤p H、TN含量等影响因子的回归分析表明不同土层SOC含量均与土壤p H、TN有显著的关系(p<0.001),这两个因素能共同解释SOC变异的40.9%~69.1%,与其他因素的关系则不显著。2、土壤碳稳定同位素(δ13C)的分布表、中、底三层土壤δ13C值平均分别为-23.63±1.51‰、-22.43±1.57‰、-21.43±1.88‰。土壤δ13C随着土壤深度的增加而偏正(p<0.05)。不同土层的土壤δ13C值均为渝中部地区偏正,渝东北偏负的趋势,渝西和渝东南则处于中间。土壤类型、耕作制度、作物类型以及地形的不同会导致土壤δ13C值的差异。在不同土壤类型中,三个土层的土壤δ13C值均表现为黄壤偏正,水稻土偏负。三种耕作制度中,表、中层土壤δ13C均表现为旱地>水旱轮作>水田;底层土壤δ13C则表现为旱地>水田>水旱轮作地。三个土层中,旱地的土壤δ13C值分别为-23.17±1.13‰、-22.05±1.24‰;水田的土壤δ13C值分别为-25.32±0.92‰、-23.84±0.98‰。不同作物类型下各层土壤δ13C均表现为C4>C3C4轮作>C3。表、中、底层种植C4作物的土壤δ13C分别为-22.53±1.07‰、-21.70±1.21‰、-20.83±1.80‰;C3C4轮作的土壤δ13C分别为-23.07±1.36‰、-22.02±1.46‰、-21.08±1.85‰;种植C3作物的土壤δ13C分别为-24.56±1.26‰、-23.12±1.52‰、-21.99±1.79‰。就地形而言,土壤δ13C值在不同土层均以陡坡地最大,平地最小。对年均气温、年均降雨量、海拔、坡向、土壤p H、TN含量等影响因子的回归分析表明土壤δ13C值与土壤TN含量、海拔、年均气温有显著关系(p<0.001),但这些影响因子对δ13CSOC变异的解释度偏小,在7.1%~8.5%之间。3、土壤活性铁铝矿物固碳量(OCFe-Al)的分布。表、中、底层土壤OCFe-Al值平均分别为2.02±0.70、1.37±0.47、1.14±0.35 g·kg-1。OCFe-Al值随着土壤深度增加而减少(p<0.05)。表、中、底层土壤OCFe-Al在SOC中的占比范围分别为12.8%~58.5%、13.2%~66.4%、18.1%~83.6%,均值分别为26.9%、33.0%、43.8%。OCFe-Al占比随着土壤深度的增加而增加。不同土壤类型、耕作制度以及地形下土壤OCFe-Al值存在差异。就土壤类型而言,表层土壤OCFe-Al值以石灰岩土最高,黄壤最低;中层土壤OCFe-Al值表现为石灰岩土最高,潮土最低;底层土壤OCFe-Al值则以黄壤最高,紫色土最低。土壤剖面上平均OCFe-Al/SOC值以石灰岩土最高,紫色土最低。三种耕作制度中,表层土壤OCFe-Al表现为水旱轮作>水田>旱地;中层为水旱轮作>旱地>水田;底层为水田>水旱轮作>旱地;表、底层土壤OCFe-Al/SOC值表现为水旱轮作地>旱地>水田,中层土壤OCFe-Al/SOC值则为旱地>水旱轮作地>水田。就地形而言,表、中层土壤OCFe-Al值表现为缓坡地最高,陡坡地最低;底层则表现为平地最高,陡坡地最低。各层土壤OCFe-Al/SOC值表现为陡坡地显著低于平地与缓坡地,而平地与缓坡地无明显差异。对土壤Fe、Al、TN、SOC含量以及土壤p H的回归分析表明,土壤OCFe-Al值与土壤Al、TN、SOC含量以及p H有显著关系(p<0.001),这些因素能共同解释土壤OC Fe-Al变异的24.7%~36.9%。
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