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西北干旱区县域农田土壤固碳及其影响因子研究

李晓晓  
【摘要】:准确获取农田局域尺度上土壤有机碳变化影响因子是准确估算农田土壤有机碳储量的基础,研究农田土壤有机碳储量及固碳机制,对进一步探讨我国农业固碳的潜力和途径具有重要意义。本研究立足西北干旱区县域尺度(以平罗县为例),研究农田土壤固碳现状和速率;采用物理分组方法研究农田土壤及其团聚体有机碳含量的分布特征,并结合XANES技术研究土壤有机碳主要官能团的含量组成与化学稳定性特征,探讨农田土壤团聚体对有机碳的物理保护及化学稳定性机制,为该区域农田土壤固碳潜力估算和固碳机制提供依据。主要研究结果如下: 1、表层土壤容重空间变异性特征: 平罗县农田表层土壤容重的变化范围是1.079~1.612g/cm3,平均值为1.355±0.107g/cm3,变异系数为0.080,属于弱变异性;在空间上呈由西向东逐渐减小的南北走向的条带状分布格局。粉粒、砂粒含量和土地利用方式是影响其空间分布的主要因素。 2、土壤有机碳储量与固碳速率: 从1980年到2011年,平罗县农田土壤有机碳含量与有机碳密度(SOCD)均显著增加。31年中平罗县农田表层有机碳固碳量增加45.5万t,单位面积有机碳增量为6690.38kg C·ha~(-1),SOCD平均变化速率为215.82kg C·ha~(-1)·yr~(-1)。农田土壤表层固碳量增加的面积占95.15%、减少的面积占3.17%、相对平衡的面积占1.69%。除灰钙土外,各土壤类型的固碳量均有所增加,灌淤土、盐土、潮土三种土壤类型对固碳量提高的贡献较明显。土壤初始有机碳含量、根茬量、氮肥投入量、留茬量是土壤固碳的主要影响因子。 3、土壤有机碳组分特征: 不同土壤类型的总土壤有机碳含量(1m剖面加权平均值)表现为:盐土(5.37±0.17g/kg)灌淤土(4.89±0.40g/kg)潮土(4.06±0.55g/kg)。耕层有机碳含量最高,并表现为灌淤土(8.49±0.49g/kg)盐土(8.14±0.81g/kg)潮土(6.52±0.65g/kg)。 在旱作条件下,土壤重组有机碳(HFOC,1m剖面加权平均值)含量表现为灌淤土(5.12±0.65g/kg)盐土(4.37±0.48g/kg)潮土(3.29±0.34g/kg)、矿物结合态有机碳(MOM)含量表现为灌淤土(4.40±0.56g/kg)盐土(4.25±0.44g/kg)潮土(3.12±0.14g/kg);颗粒有机碳(POC)含量表现为灌淤土(1.08±0.44g/kg)盐土(0.98±0.41g/kg)潮土(0.64±0.08g/kg),而轻组有机碳(LFOC)含量表现为盐土(0.87±0.18g/kg)潮土(0.46±12g/kg)灌淤土(0.37±0.11g/kg)。水田利用方式下,HFOC、MOM含量在潮土中最高,其次为盐土、灌淤土。LFOC、POC表现为灌淤土中含量最高,其次为盐土与潮土。旱作条件下各有机碳组分含量均高于水田。 耕层土壤HFOC、MOM、POC三种有机碳组分的含量最高。随着剖面深度的增加呈现出明显的降低趋势。土壤POC、MOM、HFOC与总有机碳含量均呈极显著正相关(P0.01),而LFOC与总有机碳含量关系不明显。 4、土壤团聚体及其有机碳分布特征: 1)0.25mm的水稳性团聚体含量在耕层最高,为63.81%,明显高于母质层(36.15%);团聚体破坏率在耕层最低,为27.71%,而母质层为46.28%。灌淤土团聚体破坏率平均为32.27%,低于盐土(44.36%)、潮土(44.72%),说明灌淤土团聚体稳定性最强。旱地土壤团聚体稳定性高于水田土壤,旱地土壤0.25mm水稳定性团聚体含量(51.25%)水田(40.60%);旱地的团聚体破坏率为37.60%,明显低于水田(43.30%)。0.25mm水稳性团聚体含量和土壤有机碳含量呈正相关,说明土壤有机碳含量的提高对土壤大团聚的形成有促进作用。 2)土壤有机碳主要蓄存在0.25mm粒径的团聚体中。不同土壤类型的0.25mm粒径的团聚体有机碳平均含量为灌淤土(8.35±0.08g/kg)盐土(8.05±0.12g/kg)潮土(6.92±0.09g/kg)。旱地0.25mm粒径的团聚体有机碳平均含量为8.13±0.08g/kg,明显大于水田(7.83±0.42g/kg)。 3)土壤团聚体的HFOC、MOM、POC主要固定在0.25mm的各级团聚体中。灌淤土与盐土各粒级团聚体HFOC、MOM、POC含量明显高于潮土;旱地各个粒级团聚体HFOC、POC含量略高于水田。 4)0.25mm土壤团聚体稳定性有机碳(HFOC、MOM)与团聚体有机碳均呈极显著的正相关(P0.01)。 5、表层土壤有机碳官能团特征: 随着团聚体粒径增大,灌淤土活性较强的O-烷基-C、羧基-C相对百分含量有所减少,较稳定的芳香-C相对百分含量有所增加。而盐土,较稳定的芳香-C相对百分含量均有所减少,活性的羧基-C相对百分含量均有明显增加。与旱地相比,水田条件土壤有机碳官能团的化学稳定性提高。


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