土壤多尺度团聚体铁氧化物相分异与铁-碳耦合关系研究

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土壤团聚体是土壤有机和无机胶结物粘结矿物颗粒形成的次生土壤结构,对于区域水土保持、地貌演化和生态恢复有重要意义。铁氧化物是环境敏感矿物,因温度和湿度条件差异常呈现出赤铁矿(Hematite,Hm)、针铁矿(Goethite,Gt)及水铁矿(Ferrihydrite)等不同矿物相,并广泛富集于热带亚热带富铁土和铁铝土中,成为土壤团聚体的主要胶结物。与此同时,地表有机质常与铁氧化物耦合富集,影响土壤团聚体的稳定性。此外,铁氧化物的结晶和分配也会影响有机质的稳定。研究不同铁氧化物相主导的团聚体分异及铁-碳耦合关系,对于明确全球气候变化背景下土壤团聚体及其功能演化有重要现实意义,同时对理解团聚体尺度的有机和无机化学分异过程也有重要理论意义。本文基于不同含铁母质中铁氧化物富集及分配过程可能导致的土壤团聚体稳定的差异,选取了花岗岩、玄武岩及沉积岩等不同母岩土壤为研究对象。围绕地形和气候导致的铁氧化物相分异过程,系统研究了多序列土壤机械组成与团聚体组成,明确了土壤全样和团聚体中游离铁(Fed)、无定形铁(Feo)、赤铁矿(Hm)、针铁矿(Gt)、有机碳(SOC)、稳定有机碳(StOC)、矿物保护有机碳(MOC)以及化学稳定有机碳(ROC)的分异规律,讨论了不同母质土壤铁氧化物相与有机碳的耦合关系及其对团聚体形成与稳定性的影响。得出了以下主要结论:(1)花岗岩坡地序列中,从坡顶到坡底,随土壤水分增加,表层黏粒和粉粒略微增加、砂粒明显减少;Fed、Fed/Fet、Hm和Hm/(Hm+Gt)减小,Feo和Feo/Fed增加。同时,SOC和ROC/StOC逐渐增加,MOC和MOC/StOC逐渐减小。土壤团聚体组成以P1~P3粒级微团聚(<0.25 mm)为主,且坡地顶部和底部团聚体稳定性较高。这可能与坡顶Hm和坡底Feo和ROC的相对富集分别促进P6(1~2 mm)和P5(0.5~1 mm)粒级大团聚体的形成有关。(2)玄武岩气候序列中,随剖面降水量增加,黏粒整体减少;Fed、Feo、Feo/Fed、Hm和Hm/(Hm+Gt)逐渐减小,而SOC和StOC/SOC分别逐渐增加和减小。土壤团聚体组成以P4~P6粒级大团聚体(>0.25 mm)为主,且相对低降水剖面团聚体稳定性较高。这可能与Fed、Feo、Hm以及StOC相对富集促进P6(1~2 mm)粒级大团聚体的形成有关。(3)流域多母质序列中,玄武岩母质上,从高处到低处,土壤黏粒减少、砂粒增加;Fed、Hm和Gt减少,Feo和Feo/Fed逐渐增加;SOC略微减少。土壤团聚体组成以P4~P6粒级大团聚体为主,团聚体稳定性地形分异较小。沉积岩母质上,从高处到低处,黏粒和粉粒逐渐增加,砂粒逐渐减少;Fed和Gt逐渐增长,Fed/Fet、Feo/Fed和Hm/(Hm+Gt)逐渐减小;SOC相对稳定。微团聚体和大团聚体含量相当,且以P3(0.02~0.25 mm)粒级微团聚体为主。团聚体稳定性趋向高处增长。(4)不同母质土壤铁氧化物和有机碳存在明显的团聚体尺度分异现象。其中,花岗岩和玄武岩母质中,Feo分别在微团聚体和大团聚体中含量较高,Fed和Gt均在微团聚体中含量较高,Hm则在大、微团聚体中含量相当。同时,花岗岩母质的Fed、Feo、Gt和Hm以及玄武岩母质的Fed和Hm均在微团聚体中随粒级减小而富集。此外,花岗岩和玄武岩母质的SOC分别富集于P1~P2和P4~P6粒级团聚体中。前述铁、碳分异可能与团聚体尺度的水势差异有关。(5)剖面间和团聚体尺度分异中,SOC与Feo/Fed主要呈同步变化,暗示了SOC抑制Feo结晶及Feo对SOC的保护;而SOC与Hm/(Hm+Gt)呈反向变化,则可能与SOC溶解Hm,使其活化或转化成Gt有关。
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