江蘇省水稻土有機碳礦化過程動態(tài)

江蘇省水稻土有機碳礦化過程動態(tài)

有機碳礦化過程是土壤碳循環(huán)的重要過程。其速率和動態(tài)平衡是反映土壤侵蝕變化的重要指標(biāo)。它直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分的釋放和供應(yīng)、溫室氣體的形成和土壤質(zhì)量的保持。研究多集中在溫度、水分、土壤組成結(jié)構(gòu)以及土地利用方式等對有機碳礦化的影響,但結(jié)果大多基于少量點位樣品,關(guān)于區(qū)域空間尺度上多點采樣的土壤有機碳礦化量變化及其與活性有機碳組分關(guān)系的研究較少?；钚杂袡C碳組分主要是指能被微生物直接利用的有機物質(zhì),其化學(xué)組成和存在狀態(tài)是影響有機碳礦化的關(guān)鍵因素,但有機碳礦化與活性有機碳組分之間的作用過程以及定量關(guān)系目前并不十分明確。而在區(qū)域空間尺度上,由于土壤性質(zhì)以及人為活動等的差異,土壤有機碳礦化與活性有機碳組分之間的定量關(guān)系還需進一步明確。通過對蘇南一個縣域范圍內(nèi)代表性稻田土壤的采樣和室內(nèi)培養(yǎng)研究,分析區(qū)域水平上土壤有機碳礦化量變化及其與活性有機碳組分含量的關(guān)系,結(jié)果可為深入了解區(qū)域土壤有機碳循環(huán)過程機制和制訂科學(xué)合理的農(nóng)田管理措施提供科學(xué)參考。1材料和方法1.1發(fā)揮土壤資源選擇江蘇省常熟市全市范圍的代表性水稻田作為采樣田塊。該市位于太湖流域的東北部,北臨長江,屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫15.5℃,年降雨量1038mm,年日照2203h,無霜期242d;全市國土面積1094hm2,土壤主要為發(fā)育于河湖相沉積物的水稻土,利用方式以稻麥兩熟或雙季稻為主,農(nóng)業(yè)歷史悠久,可考證的水稻種植已有3000多a的歷史。據(jù)第二次全國土壤普查結(jié)果,常熟市共有土屬19種,但主要為黃泥土、烏黃泥土、灰黃泥土、烏沙土、烏柵土、白土,占該地區(qū)土壤面積的90%以上。土壤采樣過程參照第二次全國土壤普查成果之《常熟土屬分布圖》和《常熟市行政區(qū)劃圖》,在市轄的18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共選擇代表性水稻田30塊,于中稻收獲后,在每一塊選定的田中采用多點混合法采集耕層0~20cm土壤,樣品帶回實驗室后,挑去肉眼可見的根系和石塊等土壤侵入體,然后將樣品四分法分成兩份,一份在新鮮狀態(tài)下迅速混勻過2mm篩,并4℃下保存,以供有機碳礦化培養(yǎng)試驗和土壤微生物生物量、水溶性有機碳測定用,另一份自然風(fēng)干磨細(xì)后供測定土壤基本理化性質(zhì)用。1.2最優(yōu)持水量的測定采用堿液吸收法對上述30個土壤樣品布置短期(20d)有機碳礦化培育實驗,稱取相當(dāng)于50g風(fēng)干土的新鮮土壤,置于750mL培養(yǎng)瓶底部,根據(jù)土壤含水量及最大持水量計算出最大持水量為60%時的需水量,將其均勻加入鋪于瓶底的土壤中,然后將盛有5mL0.3mol/LNaOH溶液的特制容量瓶小心地置于培養(yǎng)瓶內(nèi),將培養(yǎng)瓶加蓋密封,在28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每處理設(shè)3次重復(fù)。在培養(yǎng)開始后的第1、2、6、10、14、20d取出容量瓶,將其中的溶液完全洗入三角瓶中,然后加入1mol/LBaCl2溶液2mL及2滴酚酞指示劑,用標(biāo)準(zhǔn)酸(H2SO4)滴定至紅色消失,根據(jù)CO2的釋放量計算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化量。1.3土壤有機碳的測定土壤微生物生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸提取法,提取液中的有機碳含量用費恩法測定,全氮含量用蒸餾法測定。土壤水溶性有機碳測定采用如下步驟進行:稱取一定量新鮮土壤樣品按水土比2∶1加入超純水后振蕩30min,然后在4000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min,取上清液過0.45μm醋酸纖維慮膜,濾液中有機碳用日本島津公司(Shimadzu)有機碳自動測定儀TOC5000測定。其它指標(biāo)分析依照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進行。1.4數(shù)據(jù)計數(shù)采用MicrosoftExcel2003制圖,相關(guān)指標(biāo)的差異顯著性檢驗及回歸分析采用SPSS12.0軟件。2結(jié)果與分析2.1碳、全氮含量變化土壤有機碳、全氮在一定程度上可以表征土壤質(zhì)量的高低,不同采樣點因人為管理方式以及環(huán)境條件的差異可能不同。結(jié)果表明,研究區(qū)域土壤有機碳含量變化在4.88~27.31g/kg,平均為18.07g/kg,全氮含量變化在0.58~2.84g/kg,平均為1.86g/kg。不同土屬之間有機碳大小順序為烏柵土>烏黃泥土>灰黃泥土>白土>烏沙土>黃泥土,全氮為烏柵土>烏黃泥土>烏沙土>灰黃泥土>白土>黃泥土(表1),統(tǒng)計結(jié)果表明,除烏柵土與黃泥土之間差異達到顯著水平外(p<0.05),其它各土屬間有機碳、全氮含量差異均不明顯。2.2不同土屬微生物生物量和理化性質(zhì)分布情況微生物生物量碳、氮和水溶性有機碳是土壤中活性組分,其含量的高低極易受人為活動和環(huán)境因素等的影響。結(jié)果表明,研究區(qū)域微生物生物量碳變化為294.0~1287.4mg/kg,平均為656.5mg/kg,變異系數(shù)為35.57%,主要分布在350~500、500~650和650~800mg/kg之間,分別占總樣本數(shù)的20%,23.3%,26.7%(圖1)。微生物生物量氮變化為18.54~81.78mg/kg,平均為39.29mg/kg,變異系數(shù)為40.18%,其中含量為20~35和35~50mg/kg的土樣分別占樣本數(shù)的36.7%和40.0%,而小于20mg/kg和大于80mg/kg的樣本數(shù)僅占6.67%和3.33%。水溶性有機碳變化為7.01~28.79mg/kg,平均為12.44mg/kg,變異系數(shù)為33.84%,主要分布在10~15mg/kg,占總樣本數(shù)的60%,而小于10和15~20mg/kg的樣本數(shù)分別占總樣本數(shù)的23.3%和13.3%。不同土屬之間微生物生物量碳、氮和水溶性有機碳含量也有差異(表1)。微生物生物量碳的變化趨勢為:烏柵土>灰黃泥土>白土>烏黃泥土>烏沙土>黃泥土,但相互之間差異并不顯著(p>0.05);微生物生物量氮的變化趨勢為:烏柵土>烏黃泥土>白土>黃泥土>烏沙土>灰黃泥土,其中烏柵土顯著高于其它土屬(p<0.05),其它土屬之間含量差異不顯著;水溶性有機碳的變化趨勢為:烏柵土>烏沙土>烏黃泥土>灰黃泥土>白土>黃泥土,其中烏柵土和烏沙土含量顯著高于其它土屬(p<0.05),灰黃泥土和烏黃泥土含量居中,但無明顯差異(p>0.05)。2.3土壤呼吸強度特征呼吸強度是培養(yǎng)第1天后土壤有機碳的礦化量,是表征有機碳礦化特征的重要參數(shù)之一。供試30個土樣采自常熟市,不同采樣點間在母質(zhì)、氣候、土壤本身特性及管理水平等存在一定差異,造成有機物質(zhì)的輸入量與輸出量也有不同,因此土壤呼吸強度明顯不同。結(jié)果表明,供試土壤的呼吸強度變化為34.76~191.68mgCO2/(kg·d),平均為79.93mgCO2/(kg·d),變異系數(shù)達52.9%,最大與最小間相差5.51倍,差異達到極顯著水平(p<0.01)。結(jié)果還表明,烏柵土的呼吸強度最高,平均為116.82mgCO2/(kg·d),并顯著高于其它土屬(p<0.05);其次為烏黃泥土,平均為91.56mgCO2/(kg·d),且與灰黃泥土、白土、黃泥土之間差異不顯著,但均明顯高于烏沙土;烏沙土呼吸強度最低,平均為51.34mgCO2/(kg·d),僅為烏柵土的44%(表2)。2.4土壤有機碳的礦化量土壤有機碳礦化量可用培養(yǎng)過程中有機碳日均礦化量和累計礦化量表征。結(jié)果表明,研究區(qū)域水稻土有機碳的日均礦化量為10.76~65.20mgCO2/kg,平均40.36mgCO2/kg,變異系數(shù)為26.9%,主要分布在30~40和40~50mgCO2/kg,分別占樣本數(shù)的40.00%和36.67%;有機碳累計礦化量為215.25~1302.13mgCO2/kg,平均807.20mgCO2/kg,有機碳累計礦化量占土壤有機碳總量的比例(礦化率)為3.07%~7.58%。統(tǒng)計表明,有機碳累計礦化量主要分布在600~800和800~1000mgCO2/kg,分別占樣本數(shù)的40.00%和36.67%,而低于600mgCO2/kg和高于1000mgCO2/kg的土樣僅占樣本數(shù)的10%和13.3%。不同土屬有機碳日均和累計礦化量也有明顯差異(表2)。培養(yǎng)期內(nèi)不同土屬水稻土有機碳日均和累計礦化量的變化趨勢為:烏柵土>烏黃泥土>烏沙土>白土>灰黃泥土>黃泥土,其中烏柵土和烏黃泥土有機碳日均與累計礦化量最高,但兩者之間差異不明顯,烏沙土和白土居中,灰黃泥土和黃泥土最低,且顯著低于烏柵土和烏黃泥土(p<0.05)。6種土屬水稻土有機碳的平均礦化率為4.08%~4.79%,不同土屬的變化趨勢為:烏黃泥土>烏柵土>黃泥土>烏沙土>白土>灰黃泥土,但相互間差異不明顯,培養(yǎng)期內(nèi)總體維持在4%的水平上。結(jié)果還表明,雖然不同土屬之間有機碳日均礦化量差異明顯,但培養(yǎng)期間有機碳日均礦化量隨培養(yǎng)時間的變化趨勢卻大致相同(圖2)。整個培養(yǎng)期內(nèi),土壤有機碳的礦化量變化可以分為兩個主要的階段:培養(yǎng)前5d,土壤有機碳日均礦化量較高,且不同土屬間差異明顯;但隨著培養(yǎng)時間延長,有機碳日均礦化量迅速下降,并在后期保持相對穩(wěn)定狀態(tài),且不同土屬間沒有顯著差異。2.5土壤中有機碳的礦化量與有機碳組成的關(guān)系2.5.1土壤中碳的生長與碳排放關(guān)系水溶性有機碳是土壤微生物可直接利用的生物活性底物,是土壤有機碳礦化的直接來源。通過把土壤呼吸強度和有機碳日均礦化量與水溶性有機碳進行回歸分析發(fā)現(xiàn)(圖3),供試土壤呼吸強度與水溶性有機碳之間具有極顯著線性關(guān)系(R2=0.6831,n=30,p<0.01),有機碳日均礦化量與水溶性有機碳之間具有顯著線性關(guān)系(R2=0.5606,n=30,p<0.05)。說明,土壤有機碳呼吸強度和日均礦化量均隨水溶性有機碳含量的增加而升高,隨水溶性有機碳含量的減少而降低,這與Akria和Zhao研究結(jié)果基本一致。而Burford通過研究17個不同來源表層土壤樣品后并沒有發(fā)現(xiàn)水溶性有機碳與有機碳礦化量之間的正相關(guān)性,且認(rèn)為這主要與土壤之間水溶性有機碳結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。水溶性有機碳是由一系列大小和結(jié)構(gòu)不同的有機物質(zhì)組成,不同地域土壤中含量和組成結(jié)構(gòu)差異顯著,特別是其中一些難降解芳香族類物質(zhì)的差異,可能是造成水溶性有機碳與有機碳礦化量關(guān)系不一致結(jié)論的主要原因。本研究土壤采自蘇南地區(qū)一縣域范圍內(nèi)代表性水稻土,長期相對一致的稻麥輪作利用方式及施肥制度使土壤之間水溶性有機碳組成結(jié)構(gòu)差異可能較小,但水溶性有機碳結(jié)構(gòu)組成對于有機碳礦化的影響機制還需進一步研究。2.5.2有機碳與微生物生物量碳的關(guān)系土壤微生物作為土壤有機碳礦化的直接驅(qū)動力,其生物量大小對有機碳礦化有直接影響?；貧w分析表明(圖4),供試土壤呼吸強度和有機碳日均礦化量均與微生物生物量碳具有顯著的正線性關(guān)系(R2=0.4707,n=30,p<0.05;R2=0.3523,n=30,p<0.05),表明,土壤有機碳礦化量隨著微生物生物量碳含量的增加而升高。微生物生物量碳是土壤微生物總體活性的表征,其含量高則表明土壤微生物利用和礦化土壤有機碳的程度較強,客觀表現(xiàn)為單位時間內(nèi)土壤有機碳轉(zhuǎn)化為CO2的數(shù)量較多。3土壤有機碳礦化速率的變化蘇南地區(qū)水稻土是長江流域代表區(qū)域,探究該區(qū)域土壤中生物化學(xué)過程和規(guī)律對于正確認(rèn)識土壤質(zhì)量演變趨勢有重要意義;常熟市不同土屬水稻土在母質(zhì)類型、管理方式等方面存在較大差異,造成土壤系統(tǒng)內(nèi)有機物料的輸入量和輸出量明顯不同,因此土壤在有機碳、全氮、微生物生物量碳、氮及水溶性有機碳含量等方面存在顯著差異(p<0.05)。土壤有機碳礦化作為土壤中重要的生物化學(xué)過程,其變化規(guī)律和過程強度對土壤質(zhì)量高低具有直接影響。本研究結(jié)果表明,常熟市不同土屬水稻土間土壤呼吸強度和有機碳累計礦化量明顯不同,說明不同土壤或土屬中所發(fā)生的生物化學(xué)強度存在差異。但不同土屬有機碳日均礦化量隨培養(yǎng)時間的動態(tài)變化過程卻表現(xiàn)為相對一致,在培養(yǎng)前期礦化量較高,隨著培養(yǎng)時間的進行迅速下降并在培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定,這種變化趨勢主要是因為培養(yǎng)開始階段,微生物活動以土壤中易分解的小分子有機物質(zhì)為底物,表現(xiàn)為有機碳日均礦化量較