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塿土剖面不同碳库贮量及释放特性研究

董燕婕  
【摘要】:土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,土壤固碳对减缓温室效应气体排放具有重要作用。土壤碳库分为有机碳库和无机碳库,有机碳库是湿润和半湿润地区的主要碳库形式,而无机碳库是干旱和半干旱地区的主要碳库形式。关于土壤有机碳库的贮量和稳定性方面已有大量的研究,而已有研究多集中在于表层土壤,对深层土壤有机碳库贮量及稳定性研究较少。对无机碳的贮量和稳定性的研究相对较少,关于无机碳在碳排放和固持中的作用尚少见报道。同时含有有机碳和无机碳的石灰性土壤在密闭培养过程中释放的CO_2可能同时来源于有机碳和无机碳,其来源于无机碳和有机碳的比例以及影响比例变化的因素尚不清楚。塿土作为古老的农业土壤,由于长期施用土粪,在原始的褐土剖面上形成了50~100cm的覆盖层,使得塿土剖面有机碳及无机碳的分布有别于其他土壤。因此,研究塿土剖面有机碳和无机碳分布和贮量,以及密闭培养过程中塿土碳释放碳的来源及影响因素,对于揭示土壤有机碳库和无机碳库在土壤碳循环过程中的作用,以及确定适宜的测定土壤碳释放来源的方法等均具有重要的理论及实践意义。 本研究以陕西杨凌地区不同地点采集的塿土剖面(0~200cm)为研究对象,利用室内培养试验,结合δ~(13)C自然丰度法,研究了塿土剖面的有机碳库和无机碳库贮量,以及其在培养过程中的释放的CO_2的来源比例及影响因素等,获得以下主要结论: (1)测定了8个土壤0~200cm剖面的土壤有机碳、无机碳含量以及土壤有机碳的不同组分。结果表明,0~200cm土层土壤总碳贮量为266.2~631.6t hm~(-2),其中有机碳贮量为120.6~177.4t hm~(-2),无机碳贮量为131.6~504.7t hm~(-2),分别占土壤剖面总碳贮量的20.1~50.8%和49.2~79.9%。有机碳多集中于0~100cm剖面,其贮量均占有机碳贮量的60%以上;无机碳多集中于100~200cm土层,其平均贮量占无机碳贮量的64%。土壤活性有机碳的含量在0~20cm土层最高,随着土层深度的增加而减少。HCl水解和HF处理后残留有机碳均是以土壤剖面的表层最高,随着土层深度的增加而明显减少,其占有机碳的比例也因土层深度的不同而有所差异,但随着土层深度的增加总体上呈减少的趋势。 (2)通过室内培养法研究了外加不同种类碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)对土壤碳释放的影响。结果表明,加入碳酸盐显著增加了土壤碳释放量;在100天结束时,加入碳酸钙和碳酸镁处理的碳释放量分别比对照土壤增加了12~460%,其中外加碳酸镁处理的碳释放量是碳酸钙的处理的3倍。加入碳酸钙处理的碳释放累积量随着碳酸钙含量的增加而增加,而加入碳酸镁处理的碳释放量随着碳酸镁含量的增加而减少。说明在密闭系统下测定土壤有机碳矿化量时,碳酸盐会释放出CO_2而影响其测定。采用HgCl_2灭菌处理,增加了土壤碳释放量,这与HgCl_2的酸性性质会影响石灰性土壤的pH和碳酸盐的溶解情况有关。 (3)通过室内培养试验研究了不同含水量状况下外加碳酸盐对塿土培养过程中碳释放的影响。结果表明,土壤含水量在田间持水量的70%(70%WHC)以下时,未加碳酸盐土壤的碳释放累积量随着含水量的增加而增加;含水量高于田间持水量的70%WHC时,碳释放量下降;加入相同种类和含量碳酸盐的土壤碳释放量随着土壤含水量的增加而增加。加入碳酸钙的风干土碳释放量低于未加入碳酸钙的土壤;30%WHC土壤加入1.0%C-CaCO_3时碳释放量高于其对照土壤,加入2.0%C-CaCO_3的碳释放量低于其对照土壤;加入碳酸钙的70%和100%WHC的土壤碳释放量均高于未加入碳酸钙的土壤。加入碳酸镁土壤的碳释放量均高于未加碳酸镁土壤。说明水分对石灰性土壤碳释放的影响不仅取决于土壤水分状况,同时也与碳酸盐的种类及数量有关。 (4)通过干烧法去除土壤有机碳,研究培养过程中土壤的碳释放量。研究采集了0~20cm、60~80cm和180~200cm土层样品,分别在550℃下干烧4h后进行培养试验。结果显示,除180~200cm土层的无机碳含量在干烧后显著地降低,其他两土层的无机碳含量与对照土壤差异不显著。对照土壤的碳释放量为0~20cm和180~200cm土层间无显著差异,但均显著地高于60~80cm土层。各土层土壤干烧后碳释放量降低了5.9~54.6%,0~20cm和180~200cm的降低幅度达到了显著性水平。干烧土壤采用固体HgCl_2灭菌后,各土层的碳释放量均显著地增加。表明石灰性土壤在培养过程中释放的CO_2同时来源于有机碳和无机碳,且来源的比例因土壤有机碳和无机碳含量有关。固体HgCl_2灭菌会影响碳酸盐的释放从而影响石灰性土壤释放的测定。 (5)比较了不同灭菌方式对石灰性土壤培养过程中碳释放量的影响。研究选取有机碳及无机碳含量差异大的塿土剖面的0~20cm和80~100cm两个土层,分别采取固体HgCl_2、未缓冲的5%(v/v)的HgCl_2溶液、缓冲至pH=7的HgCl_2溶液和氯仿熏蒸等四种方法灭菌,比较了不同灭菌方法对土壤pH的影响,同时,采用密闭培养的方法测定了灭菌土壤培养过程中碳释放累积特性。结果表明,四种灭菌方法均有效地抑制了土壤微生物的活动,同时也不同程度降低了土壤pH。固体HgCl_2处理后土壤的pH最低(6.78)。四种灭菌方法除缓冲HgCl_2处理外,其余三种灭菌方法均显著地提高了土壤碳释放量(P0.05),且对不同深度的土壤的影响不同,其中0~20cm土层的碳释放量为氯仿处理最高,其次为固体HgCl_2处理;而80~100cm土层的碳释放量为固体HgCl_2最高,其次为氯仿处理。研究进一步说明,石灰性土壤的碳释放量随土壤pH的降低而显著增加;使用HgCl_2对石灰性土壤进行灭菌时,需考虑其对土壤pH的影响。 (6)研究了缓冲至不同pH的HgCl_2溶液作为灭菌试剂对不同深度的塿土培养过程中碳释放的影响。结果显示,除缓冲至pH=8的处理,其他处理均显著地降低了0~20cm和80~100cm土层土壤的pH值。培养结束时(31天)除缓冲至pH=8的处理外,其他处理均显著地降低了0~20cm和80~100cm土层土壤碳释放量,且土壤碳释放量与土壤pH存在二次递减的关系。可见土壤酸化对土壤碳释放量的增加有显著的影响,且在使用HgCl_2缓冲溶液对石灰性土壤进行灭菌时,HgCl_2溶液的pH值应与灭菌土壤一致。 (7)通过室内培养和δ~(13)C自然丰度法相结合的方法,研究了不同剖面的耕作层(Ap)、粘化层(Bt)和钙积层(Bk)土壤培养过程中碳释放量和碳释放来源于有机碳和无机碳的比例。结果表明,经过32天的培养,三个土层土壤碳释放累积量为145.8~348.1mgkg-1。CO_2的δ~(13)C值显示CO_2的释放不仅来源于土壤有机碳,而且来源于无机碳。土壤释放的CO_2来源于土壤有机碳的比例因土层深度的不同而异。耕层土壤的碳释放来源于无机碳的比例约为39.0%,粘化层为31.4~43.6%,钙积层为46.1~84.7%。采用缓冲HgCl_2溶液对土壤灭菌后显著地降低了每个土层土壤总碳释放量和来源于土壤有机碳的释放量,但并未完全去除土壤有机碳的释放。HgCl_2灭菌后对来源于无机碳的CO_2比例也有所影响,也因土层深度的不同而不同。 (8)研究采用NaOH和PIPES调节HgCl_2溶液的pH值对不同深度土壤进行灭菌,并与未缓冲的HgCl_2处理进行比较,以选取适宜于石灰性土壤灭菌的方法。结果显示,未缓冲的HgCl_2处理(固体HgCl_2和HgCl_2溶液)均显著地增加了土壤的碳释放量和来源于无机碳的释放量,而缓冲至pH=8的HgCl_2(NaOH和PIPES缓冲处理)均显著地降低了土壤的碳释放量和来源于有机碳的释放量。固体HgCl_2处理后土壤来自有机碳的碳释放量也显著地增加。NaOH缓冲的HgCl_2溶液也显著地降低了土壤无机碳的释放量。表明采用PIPES缓冲后的HgCl_2溶液对表层的石灰性土壤进行灭菌,既可以有效地抑制土壤有机碳的释放量,又对无机碳的释放无显著的影响。


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