本文關(guān)鍵詞：杉木人工林土壤有機碳的穩(wěn)定機制研究　出處：《福建農(nóng)林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,CO2濃度倍增引起的全球變暖等環(huán)境問題已成為國內(nèi)外科學(xué)家關(guān)注的熱點,土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳匯載體,其碳儲量超過了大氣和植被碳的總量,土壤碳庫的微小變化可能導(dǎo)致大氣CO2濃度的巨大波動。因此,保持土壤碳庫的穩(wěn)定性對于緩解全球變暖趨勢具有重要意義。大量研究表明,影響土壤有機碳穩(wěn)定性的機制包括土壤生物化學(xué)穩(wěn)定(Biochemical recalcitrance)機制、土壤礦物的吸附固定機制(Mineral-proected SOM)及土壤團聚體的物理保護機制(Physical protection by aggregates),但在不同質(zhì)地或不同礦物特征的土壤中,這三個作用機制在土壤有機碳形成和穩(wěn)定過程中所起作用不同。由于影響土壤有機碳輸入及其周轉(zhuǎn)速率的因素十分復(fù)雜,目前對于不同氣候區(qū)域、不同成土母質(zhì)、不同質(zhì)地土壤有機碳的內(nèi)在穩(wěn)定機制還不十分清楚。特別在人工林生態(tài)系統(tǒng)中,由于整地、施肥、間伐和采伐等頻繁的人為干擾,使得人工林土壤有機碳穩(wěn)定機制的研究更加困難,因此如何揭示人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳的穩(wěn)定機制成為當(dāng)前科學(xué)界急需解決的重大課題。杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)是我國南方特有的速生樹種,具有生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好等優(yōu)點,被廣泛地栽植于我國亞熱帶地區(qū)。目前杉木栽植面積接近12×104hm2,占全國人工林面積的30%以上,杉木人工林具有較大的固碳潛力。因此面對日益嚴峻的氣候變化,人類對木材的強烈需求和人工林的碳固定成為矛盾,如何從中尋求一個平衡點,既能滿足木材的需求又能最大程度的增加人工林固碳能力成為研究的熱點。雖然國內(nèi)許多學(xué)者對杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力進行了不少研究,但對杉木人工林土壤有機碳的形成及穩(wěn)定機制的研究相對較少,對不同母巖和不同發(fā)育階段杉木林土壤穩(wěn)定有機碳的形成研究鮮見報道,特別是有關(guān)土壤礦物的吸附固定和土壤團聚體的物理保護機制極少涉及。截至目前,還沒有完全弄清楚維持杉木林土壤有機碳的穩(wěn)定機制。有鑒于此,以福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場粉砂巖和花崗巖發(fā)育土壤條件下幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,借助13C穩(wěn)定性同位素和熱解質(zhì)譜等技術(shù)手段,分別從土壤有機碳的生物化學(xué)穩(wěn)定機制、土壤團聚體的物理保護機制和土壤礦物的吸附固定機制三方面入手,開展不同母巖和不同發(fā)育階段杉木人工林土壤有機碳的穩(wěn)定機制研究,比較不同發(fā)育階段杉木林土壤穩(wěn)定性有機碳的差異,分析土壤有機碳生物化學(xué)質(zhì)量與土壤碳氮含量及活性有機質(zhì)的相互關(guān)系,分析不同母巖土壤典型礦物結(jié)合態(tài)有機碳的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征,探討杉木人工林土壤不同礦物類型對有機碳的穩(wěn)定吸附機制;通過模擬外源有機質(zhì)輸入研究其對土壤團聚體形成的影響,分析不同土壤團聚體對外源新碳的固定、重新分配和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,探討杉木人工林土壤團聚體對穩(wěn)定有機碳的物理保護機制�；谝陨先矫娴难芯�,最終揭示不同母巖和不同發(fā)育階段杉木人工林土壤有機碳的內(nèi)在穩(wěn)定機制,為制定合理的杉木人工林經(jīng)營措施和發(fā)揮其土壤固碳潛力提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)兩種土壤生物化學(xué)穩(wěn)定系數(shù)分別為18.63-32.11%和31.99-40.39%,表明杉木人工林土壤18%以上有機碳具有生物化學(xué)穩(wěn)定性。不穩(wěn)定碳庫、頑固碳庫與土壤總碳具有極顯著相關(guān)關(guān)系,碳氮儲量與不穩(wěn)定碳的比例呈負相關(guān),與不穩(wěn)定碳大小和RIc顯著正相關(guān),表明了土壤有機質(zhì)的質(zhì)量影響了有機碳的形成過程。(2)有機質(zhì)組成具有明顯的密度組分之間的變化,隨著土壤顆粒密度的增加,多糖、芳香性化合物、木質(zhì)素含量顯著下降,而含氮化合物顯著上升。1.90非閉蓄態(tài),1.90閉蓄態(tài),1.90-2.20,2.20-2.40 g cm-3這4個組分13C相對于全土來說更小,表明來源更新,在化學(xué)組成上更不穩(wěn)定;三個最重的密度組分中礦物吸附的有機物質(zhì)以含氮化合物為主,且這三個重組組分富集13C,表明重組組分傾向于吸附分解程度較高的有機質(zhì),這確保了重組有機質(zhì)不僅受到礦物的強大吸附,在自身性質(zhì)上更為穩(wěn)定。(3)從有機碳在重組組分的分布來看,杉木人工林紅壤中約有41～49%的有機碳受到土壤礦物的吸附;46%～64%氮分布在礦物保護組分中。盡管兩種土壤有機碳受到土壤礦物保護的數(shù)量相似,兩種土壤中不同的礦物類型所起的保護作用不同。弱結(jié)晶硅鋁酸鹽礦物對南方杉木紅壤的保護作用最小,花崗巖發(fā)育土壤在密度2.2-2.5gcm-3的含碳量和含氮量比例最高,表明層狀硅酸鹽礦物對花崗巖發(fā)育土壤的有機質(zhì)有穩(wěn)定作用,然而在粉砂巖發(fā)育土壤中,原生礦物對總碳的吸附比例在18～33%,總氮的吸附比例為26～41%,顯然原生礦物對有機質(zhì)的穩(wěn)定作用高于層狀硅酸鹽礦物。(4)兩種土壤2000μm團聚體比例均大幅度提高,250-2000μm,53-250 μm和53 μm組分比例下降,兩個土壤平均重量直徑顯著增加,表明了經(jīng)過培養(yǎng)小粒徑的團聚體轉(zhuǎn)化成大團聚體的趨勢。粉砂巖發(fā)育土壤添加凋落物處理第7天(d)大團聚體比例顯著高于對照,花崗巖發(fā)育土壤粉粘粒比例顯著低于對照,對照處理培養(yǎng)30 d后不同團聚體組分比例與凋落物處理無差異,表明土壤自身具有恢復(fù)團聚結(jié)構(gòu)的能力,但外源有機質(zhì)的輸入促進了這一過程。(5)團聚體內(nèi)的δ13C測定證實培養(yǎng)第7 d兩種土壤250-2000 μm大團聚體分別有16%和28%外源碳輸入,顯著增加250-2000 μm大團聚體的總碳含量,凋落物源有機碳的富集促進了 250-2000 μm粒徑組分總碳的增加�；◢弾r發(fā)育土壤粉粘粒總碳在培養(yǎng)第1d就有明顯的增加,粉粘粒中凋落物源碳通過凋落物分解產(chǎn)生的可溶性有機質(zhì)的形式吸收。(6)添加外源碳顯著促進了全土和團聚體真菌的生物量,抑制了革蘭氏陽性菌和細菌的相對含量,提高了真菌:細菌比。粉砂巖發(fā)育土壤添加凋落物處理優(yōu)勢磷脂脂肪酸為不飽和脂肪酸18:2 ω6c,18:1 ω9c和17:1 ω7c,這些脂肪酸用于表征真菌和革蘭氏陰性菌,未添加凋落物處理則以表征革蘭氏陽性菌的支鏈飽和脂肪酸為優(yōu)勢脂肪酸,PCA分析結(jié)果表明花崗巖發(fā)育土壤添加凋落物處理具有更高的革蘭氏陰性菌和真菌豐度,對照處理優(yōu)勢磷脂脂肪酸為表征革蘭氏陽性菌和放線菌的飽和脂肪酸,表明了添加凋落物促進了真菌的生長,提高了革蘭氏陰性菌在團聚體的分布。PCA結(jié)果顯示,粉砂巖發(fā)育土壤2000 μm大團聚上主要為革蘭氏陰性菌和放線菌,53-250 μm微團聚體上主要微生物類型為革蘭氏陽性菌,分布的脂肪酸類型為支鏈不飽和脂肪酸,53 μm粉粘粒組分上主要分布革蘭氏陰性菌�；◢弾r發(fā)育土壤條件下,不同團聚體磷脂脂肪酸構(gòu)成變異較大。綜上所述,三個穩(wěn)定機制均在杉木人工林土壤有機碳穩(wěn)定中起著一定的作用。杉木人工林土壤至少有18%的有機質(zhì)因自身生物化學(xué)穩(wěn)定而具有抵抗微生物分解的能力,同時三個不同生物化學(xué)穩(wěn)定性組分碳與總碳呈顯著相關(guān)性,生物化學(xué)穩(wěn)定系數(shù)也與碳儲量呈正相關(guān),表明生物化學(xué)穩(wěn)定機制在維持杉木人工林土壤碳固定發(fā)揮著重要作用;41～49%的碳受到土壤礦物的吸附固定,不同土壤礦物類型對有機碳的吸附固定作用不同,受到土壤類型的影響,在杉木人工林土壤中,原生礦物和層狀硅酸鹽礦物對有機碳穩(wěn)定起主要作用,不同的礦物類型對有機質(zhì)的吸附具有選擇性,原生和層狀硅酸鹽礦物傾向于選擇吸附較穩(wěn)定的有機質(zhì)(較高的δ13C和穩(wěn)定的有機質(zhì)組成),而游離態(tài)輕組有機質(zhì)更多的為不穩(wěn)態(tài)的有機碳,也就是說礦物結(jié)合的有機碳不僅自身穩(wěn)定,而且還受到礦物的吸附固定;杉木人工林土壤本身具有恢復(fù)團聚體結(jié)構(gòu)的功能,外源有機質(zhì)的輸入加快團聚體的形成,團聚體的形成主要通過兩個途徑為有機碳提供了物理保護作用:一方面大團聚體的形成為游離態(tài)的外源有機質(zhì)提供了物理的包裹保護作用;另一方面外源有機質(zhì)分解釋放的可溶性態(tài)有機碳被土壤顆粒(粉粘粒)吸附形成穩(wěn)定的有機-礦物微團聚體組分,該組分在大團聚體形成過程中轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部,進一步受到大團聚體的物理保護,這與前人對有機碳的團聚體物理保護模型相符合。凋落物的添加促進了真菌和革蘭氏陰性菌的生長,大團聚體(2000μm和250-2000μm)主要分布革蘭氏陰性菌和放線菌,大團聚體的生境條件促進真菌和革蘭氏陰性菌生長,真菌及其菌絲的生長有利于團聚體的穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：福建農(nóng)林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S714.2

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