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《福建农林大学》 2017年
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杉木人工林土壤有机碳的稳定机制研究

张芸  
【摘要】:近年来,CO2浓度倍增引起的全球变暖等环境问题已成为国内外科学家关注的热点,土壤作为陆地生态系统最大的碳汇载体,其碳储量超过了大气和植被碳的总量,土壤碳库的微小变化可能导致大气CO2浓度的巨大波动。因此,保持土壤碳库的稳定性对于缓解全球变暖趋势具有重要意义。大量研究表明,影响土壤有机碳稳定性的机制包括土壤生物化学稳定(Biochemical recalcitrance)机制、土壤矿物的吸附固定机制(Mineral-proected SOM)及土壤团聚体的物理保护机制(Physical protection by aggregates),但在不同质地或不同矿物特征的土壤中,这三个作用机制在土壤有机碳形成和稳定过程中所起作用不同。由于影响土壤有机碳输入及其周转速率的因素十分复杂,目前对于不同气候区域、不同成土母质、不同质地土壤有机碳的内在稳定机制还不十分清楚。特别在人工林生态系统中,由于整地、施肥、间伐和采伐等频繁的人为干扰,使得人工林土壤有机碳稳定机制的研究更加困难,因此如何揭示人工林生态系统土壤有机碳的稳定机制成为当前科学界急需解决的重大课题。杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)是我国南方特有的速生树种,具有生长快、产量高、材质好等优点,被广泛地栽植于我国亚热带地区。目前杉木栽植面积接近12×104hm2,占全国人工林面积的30%以上,杉木人工林具有较大的固碳潜力。因此面对日益严峻的气候变化,人类对木材的强烈需求和人工林的碳固定成为矛盾,如何从中寻求一个平衡点,既能满足木材的需求又能最大程度的增加人工林固碳能力成为研究的热点。虽然国内许多学者对杉木人工林生态系统的固碳能力进行了不少研究,但对杉木人工林土壤有机碳的形成及稳定机制的研究相对较少,对不同母岩和不同发育阶段杉木林土壤稳定有机碳的形成研究鲜见报道,特别是有关土壤矿物的吸附固定和土壤团聚体的物理保护机制极少涉及。截至目前,还没有完全弄清楚维持杉木林土壤有机碳的稳定机制。有鉴于此,以福建农林大学莘口教学林场粉砂岩和花岗岩发育土壤条件下幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林的杉木人工林生态系统为研究对象,借助13C稳定性同位素和热解质谱等技术手段,分别从土壤有机碳的生物化学稳定机制、土壤团聚体的物理保护机制和土壤矿物的吸附固定机制三方面入手,开展不同母岩和不同发育阶段杉木人工林土壤有机碳的稳定机制研究,比较不同发育阶段杉木林土壤稳定性有机碳的差异,分析土壤有机碳生物化学质量与土壤碳氮含量及活性有机质的相互关系,分析不同母岩土壤典型矿物结合态有机碳的数量和结构特征,探讨杉木人工林土壤不同矿物类型对有机碳的稳定吸附机制;通过模拟外源有机质输入研究其对土壤团聚体形成的影响,分析不同土壤团聚体对外源新碳的固定、重新分配和微生物群落结构的变化,探讨杉木人工林土壤团聚体对稳定有机碳的物理保护机制。基于以上三方面的研究,最终揭示不同母岩和不同发育阶段杉木人工林土壤有机碳的内在稳定机制,为制定合理的杉木人工林经营措施和发挥其土壤固碳潜力提供科学依据。主要研究结果如下:(1)两种土壤生物化学稳定系数分别为18.63-32.11%和31.99-40.39%,表明杉木人工林土壤18%以上有机碳具有生物化学稳定性。不稳定碳库、顽固碳库与土壤总碳具有极显著相关关系,碳氮储量与不稳定碳的比例呈负相关,与不稳定碳大小和RIc显著正相关,表明了土壤有机质的质量影响了有机碳的形成过程。(2)有机质组成具有明显的密度组分之间的变化,随着土壤颗粒密度的增加,多糖、芳香性化合物、木质素含量显著下降,而含氮化合物显著上升。1.90非闭蓄态,1.90闭蓄态,1.90-2.20,2.20-2.40 g cm-3这4个组分13C相对于全土来说更小,表明来源更新,在化学组成上更不稳定;三个最重的密度组分中矿物吸附的有机物质以含氮化合物为主,且这三个重组组分富集13C,表明重组组分倾向于吸附分解程度较高的有机质,这确保了重组有机质不仅受到矿物的强大吸附,在自身性质上更为稳定。(3)从有机碳在重组组分的分布来看,杉木人工林红壤中约有41~49%的有机碳受到土壤矿物的吸附;46%~64%氮分布在矿物保护组分中。尽管两种土壤有机碳受到土壤矿物保护的数量相似,两种土壤中不同的矿物类型所起的保护作用不同。弱结晶硅铝酸盐矿物对南方杉木红壤的保护作用最小,花岗岩发育土壤在密度2.2-2.5gcm-3的含碳量和含氮量比例最高,表明层状硅酸盐矿物对花岗岩发育土壤的有机质有稳定作用,然而在粉砂岩发育土壤中,原生矿物对总碳的吸附比例在18~33%,总氮的吸附比例为26~41%,显然原生矿物对有机质的稳定作用高于层状硅酸盐矿物。(4)两种土壤2000μm团聚体比例均大幅度提高,250-2000μm,53-250 μm和53 μm组分比例下降,两个土壤平均重量直径显著增加,表明了经过培养小粒径的团聚体转化成大团聚体的趋势。粉砂岩发育土壤添加凋落物处理第7天(d)大团聚体比例显著高于对照,花岗岩发育土壤粉粘粒比例显著低于对照,对照处理培养30 d后不同团聚体组分比例与凋落物处理无差异,表明土壤自身具有恢复团聚结构的能力,但外源有机质的输入促进了这一过程。(5)团聚体内的δ13C测定证实培养第7 d两种土壤250-2000 μm大团聚体分别有16%和28%外源碳输入,显著增加250-2000 μm大团聚体的总碳含量,凋落物源有机碳的富集促进了 250-2000 μm粒径组分总碳的增加。花岗岩发育土壤粉粘粒总碳在培养第1d就有明显的增加,粉粘粒中凋落物源碳通过凋落物分解产生的可溶性有机质的形式吸收。(6)添加外源碳显著促进了全土和团聚体真菌的生物量,抑制了革兰氏阳性菌和细菌的相对含量,提高了真菌:细菌比。粉砂岩发育土壤添加凋落物处理优势磷脂脂肪酸为不饱和脂肪酸18:2 ω6c,18:1 ω9c和17:1 ω7c,这些脂肪酸用于表征真菌和革兰氏阴性菌,未添加凋落物处理则以表征革兰氏阳性菌的支链饱和脂肪酸为优势脂肪酸,PCA分析结果表明花岗岩发育土壤添加凋落物处理具有更高的革兰氏阴性菌和真菌丰度,对照处理优势磷脂脂肪酸为表征革兰氏阳性菌和放线菌的饱和脂肪酸,表明了添加凋落物促进了真菌的生长,提高了革兰氏阴性菌在团聚体的分布。PCA结果显示,粉砂岩发育土壤2000 μm大团聚上主要为革兰氏阴性菌和放线菌,53-250 μm微团聚体上主要微生物类型为革兰氏阳性菌,分布的脂肪酸类型为支链不饱和脂肪酸,53 μm粉粘粒组分上主要分布革兰氏阴性菌。花岗岩发育土壤条件下,不同团聚体磷脂脂肪酸构成变异较大。综上所述,三个稳定机制均在杉木人工林土壤有机碳稳定中起着一定的作用。杉木人工林土壤至少有18%的有机质因自身生物化学稳定而具有抵抗微生物分解的能力,同时三个不同生物化学稳定性组分碳与总碳呈显著相关性,生物化学稳定系数也与碳储量呈正相关,表明生物化学稳定机制在维持杉木人工林土壤碳固定发挥着重要作用;41~49%的碳受到土壤矿物的吸附固定,不同土壤矿物类型对有机碳的吸附固定作用不同,受到土壤类型的影响,在杉木人工林土壤中,原生矿物和层状硅酸盐矿物对有机碳稳定起主要作用,不同的矿物类型对有机质的吸附具有选择性,原生和层状硅酸盐矿物倾向于选择吸附较稳定的有机质(较高的δ13C和稳定的有机质组成),而游离态轻组有机质更多的为不稳态的有机碳,也就是说矿物结合的有机碳不仅自身稳定,而且还受到矿物的吸附固定;杉木人工林土壤本身具有恢复团聚体结构的功能,外源有机质的输入加快团聚体的形成,团聚体的形成主要通过两个途径为有机碳提供了物理保护作用:一方面大团聚体的形成为游离态的外源有机质提供了物理的包裹保护作用;另一方面外源有机质分解释放的可溶性态有机碳被土壤颗粒(粉粘粒)吸附形成稳定的有机-矿物微团聚体组分,该组分在大团聚体形成过程中转移到其内部,进一步受到大团聚体的物理保护,这与前人对有机碳的团聚体物理保护模型相符合。凋落物的添加促进了真菌和革兰氏阴性菌的生长,大团聚体(2000μm和250-2000μm)主要分布革兰氏阴性菌和放线菌,大团聚体的生境条件促进真菌和革兰氏阴性菌生长,真菌及其菌丝的生长有利于团聚体的稳定。
【关键词】:杉木 有机质 稳定机制 热解气相质谱 ~(13)C稳定同位素 磷脂脂肪酸
【学位授予单位】:福建农林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S714.2
【目录】:
  • 摘要8-11
  • ABSTRACT11-16
  • 缩略语一览表16-17
  • 第一章 引言17-30
  • 1 立题依据17-19
  • 2 国内外研究进展19-28
  • 2.1 土壤有机碳的生物化学稳定性研究19-22
  • 2.1.1 有机质在土壤中的选择性保存19-20
  • 2.1.2 主要有机质类型在土壤分解和周转20-22
  • 2.2 土壤有机碳的矿物稳定研究22-24
  • 2.2.1 土壤矿物对有机质的吸附机理23-24
  • 2.2.2 土壤矿物对有机质的选择性吸附24
  • 2.3 土壤有机碳的团聚体物理保护作用研究24-28
  • 2.3.1 土壤团聚体周转和形成模型的建立和研究25-27
  • 2.3.2 微生物在团聚体的分布及对团聚体形成的作用27
  • 2.3.3 团聚体对有机碳的物理保护作用27-28
  • 3 技术路线28-30
  • 第二章 杉木人工林土壤有机碳的生物化学稳定机制30-63
  • 1 研究区概况30-31
  • 2 研究方法31-38
  • 2.1 土壤取样31-32
  • 2.2 土壤基本理化性质测定32
  • 2.3 土壤有机碳储量测定32
  • 2.4 土壤活性有机碳测定32-33
  • 2.5 土壤有机碳的生物化学质量测定33-34
  • 2.6 数据统计与分析34-38
  • 3 结果与分析38-60
  • 3.1 杉木人工林土壤有机质的储量研究38-40
  • 3.1.1 杉木林土壤有机碳储量变化分析38-39
  • 3.1.2 杉木林土壤氮储量变化分析39-40
  • 3.2 杉木人工林土壤有机碳的生物化学稳定性研究40-60
  • 3.2.1 杉木林土壤活性有机碳组分的变化分析40-51
  • 3.2.2 杉木林土壤有机质生物化学稳定性组分的变化分析51-58
  • 3.2.3 有机质生物化学稳定性与其特征的相关性分析58-60
  • 4 讨论60
  • 5 小结60-63
  • 第三章 杉木人工林土壤有机碳的矿物学稳定机制63-86
  • 1 材料与方法64-69
  • 1.1 供试土壤64
  • 1.2 不同密度有机-矿物复合体分级64-66
  • 1.3 矿物结构分析66
  • 1.4 碳氮和~(13)△分析66
  • 1.5 有机质组成分析与鉴定66-67
  • 1.6 数据统计与分析67-69
  • 2 结果与分析69-82
  • 2.1 杉木人工林土壤矿物结构及其稳定有机质的特征研究69-80
  • 2.1.1 杉木林土壤不同有机-矿物复合体的矿物结构分析69-74
  • 2.1.2 杉木林土壤不同有机-矿物复合体碳氮和δ~(13)C分析74-75
  • 2.1.3 杉木林土壤不同有机-矿物复合体有机质组成分析75-79
  • 2.1.4 杉木林土壤不同有机质组成的主成分分析79-80
  • 2.2 杉木人工林土壤矿物对有机碳的稳定研究80-82
  • 2.2.1 杉木林土壤不同有机-矿物复合体的重量分布80-81
  • 2.2.2 杉木林土壤不同有机-矿物复合体的有机碳和氮分布81-82
  • 3 讨论82-84
  • 4 小结84-86
  • 第四章 杉木人工林土壤有机碳的团聚体物理保护机制86-123
  • 1 材料与方法87-93
  • 1.1 供试土壤和材料87-88
  • 1.2 试验设计88-89
  • 1.3 ~(13)C稳定同位素分析89
  • 1.4 土壤有机碳形态分析89-90
  • 1.4.1 土壤CO_2矿化89-90
  • 1.4.2 活性有机质90
  • 1.4.3 多糖90
  • 1.5 团聚体的稳定性分析90-91
  • 1.6 团聚体有机碳的来源分析91
  • 1.7 团聚体的微生物群落分析91-93
  • 1.7.1 微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)91-92
  • 1.7.2 PLFA标志物的鉴定92-93
  • 1.8 数据统计与分析93
  • 2 结果与分析93-119
  • 2.1 基于~(13)C稳定同位素技术研究土壤有机碳形态的变化研究93-99
  • 2.1.1 杉木人工林土壤碳矿化变化分析94-97
  • 2.2.2 杉木人工林土壤活性有机质变化分析97-99
  • 2.2 基于~(13)C稳定同位素技术研究土壤团聚体对有机碳的物理保护研究99-119
  • 2.2.1 杉木林土壤团聚体的形成和稳定性分析99-102
  • 2.2.2 杉木林土壤团聚体的有机碳分配和来源分析102-107
  • 2.2.3 杉木林土壤团聚体的微生物群落组成分析107-119
  • 3 讨论119-120
  • 4 小结120-123
  • 第五章 主要研究结论123-126
  • 创新点126-127
  • 参考文献127-141
  • 攻读学位期间的学术论文与研究成果141-142
  • 致谢142-143

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