【摘要】：我國(guó)東北黑土分布區(qū)域由平地和漫川漫崗構(gòu)成,在漫川漫崗區(qū)域分布的自然黑土均為草原草甸植被,少部分為零星木本植物。然而由于近百年來(lái)大規(guī)模耕墾成為農(nóng)田后,引發(fā)水土流失,嚴(yán)重地區(qū)已將黑土層剝蝕殆盡,黃土狀母質(zhì)裸露,導(dǎo)致肥沃的黑土喪失了生產(chǎn)植被的能力,同時(shí)黑土區(qū)域也遭到破壞。基于對(duì)裸露黃土狀母質(zhì)的恢復(fù)需求,我們將典型黑土2米以下的黃土狀母質(zhì)移入地表,進(jìn)行土壤熟化試驗(yàn),試圖研究黑土肥力恢復(fù)效果。試驗(yàn)分別模擬自然過(guò)程、種植豆科牧草植物恢復(fù)過(guò)程和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程。在模擬農(nóng)田過(guò)程中,分別設(shè)置了無(wú)肥、化肥、化肥加有機(jī)肥和在施用化肥的條件下將所收獲的農(nóng)作物(秸稈和籽粒)全部還田。系統(tǒng)分析母質(zhì)熟化過(guò)程中土壤有機(jī)碳的變化特征,建立外源碳施入量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間的關(guān)系,進(jìn)一步運(yùn)用有機(jī)碳物理化學(xué)分析技術(shù),分析土壤有機(jī)碳組分庫(kù)數(shù)量和有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)變化特征,闡明母質(zhì)熟化過(guò)程中的土壤有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量的演變規(guī)律,以期為將來(lái)的土壤修復(fù)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:取自地下2 m的母質(zhì),由密閉系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至開放系統(tǒng)后,經(jīng)過(guò)10年的熟化過(guò)程,不同生態(tài)系統(tǒng)間土壤有機(jī)碳含量顯著增加。自然生態(tài)系統(tǒng)以自身的地上植株與地下根系作為有機(jī)物料的投入,在光源碳微生物的作用下,有機(jī)碳含量增加了85%。人工種植苜蓿生態(tài)系統(tǒng),通過(guò)自身的植株作為有機(jī)碳投入物與其本身特有的固氮特質(zhì),促使有機(jī)碳含量增加了117%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,無(wú)肥處理使土壤有機(jī)碳含量增加了56%。施用化肥與有機(jī)肥后,加速了土壤有機(jī)碳的提高,相應(yīng)增加了72-165%。土壤有機(jī)碳提升最快的是化肥與地上生物量全還田生態(tài)系統(tǒng),有機(jī)碳含量增加了165%,達(dá)到典型黑土表層土壤有機(jī)碳的50%。10年間不同生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量增加速率范圍為0.31-0.88 g C kg-1 yr-1。土壤有機(jī)碳的增加與有機(jī)碳投入量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。然而,在同一地區(qū)的典型黑土上進(jìn)行10年不同化肥和秸稈還田試驗(yàn)后,土壤有機(jī)碳含量幾乎無(wú)變化,此時(shí)典型黑土的有機(jī)碳已處于飽和狀態(tài),而處于碳饑餓狀態(tài)的母質(zhì),在外源碳投入后,土壤有機(jī)碳含量迅速增加。母質(zhì)熟化過(guò)程中,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳垂直分布的結(jié)果表明,隨著土層深度的增加,土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在30-40 cm土層,只有化肥與地上生物量全還田處理有機(jī)碳含量顯著高于其他處理。換而言之,土壤有機(jī)碳的累積首先發(fā)生在受外界環(huán)境條件影響大的表層,深層土壤受到根系活動(dòng)和淋溶作用導(dǎo)致土壤有機(jī)碳發(fā)生變化。根據(jù)土壤有機(jī)碳的增加速率和土壤的固碳能力,我們得知在農(nóng)田生態(tài)中有投入機(jī)物料和種植苜蓿對(duì)改善土壤肥力,提高土壤固碳能力高于其他處理。不同生態(tài)系統(tǒng)的母質(zhì)熟化過(guò)程中土壤有機(jī)碳不同組分的累積程度存在差異。土壤中各密度組分有機(jī)碳濃度的高低順序均表現(xiàn)為閉蓄態(tài)輕組游離態(tài)輕組重組。重組有機(jī)碳在土壤中的比例范圍為78-90%,是土壤有機(jī)碳的主要組分。在母質(zhì)熟化5年后,土壤中的閉蓄態(tài)輕組有機(jī)碳與游離態(tài)輕組相比,占土壤輕組有機(jī)碳比例較大,對(duì)土地利用方式和農(nóng)田管理措施更為敏感。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物料的施入,使土壤輕組有機(jī)碳得到積累。母質(zhì)熟化10年后,重組有機(jī)碳含量的高低順序?yàn)?F1C2F1C1AlfaNat FF1C0F0C0。重組有機(jī)碳與累積碳投入量達(dá)到了顯著正相關(guān),與土壤總有機(jī)碳變化趨勢(shì)一致,表明重組對(duì)土壤有機(jī)碳的固定具有重要作用。母質(zhì)土壤腐殖物質(zhì)組分的比例大小為:胡敏素胡敏酸富里酸。母質(zhì)熟化5年后,在土壤全碳含量較低的環(huán)境下,富里酸有機(jī)碳含量高于胡敏酸有機(jī)碳含量,兩者占土壤全碳的比例范圍為21-42%和15-19%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)富里酸含量顯著高于自然和苜蓿生態(tài)系統(tǒng)。伴隨母質(zhì)熟化時(shí)間的增加,胡敏酸和胡敏素有機(jī)碳組分顯著提高。胡敏素中有機(jī)碳含量占土壤全碳的比例范圍是66-74%。富里酸與胡敏酸的有機(jī)碳含量在土壤全碳比例發(fā)生變化,這意味著土壤有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性發(fā)生了相應(yīng)變化。同時(shí)胡敏素與累積碳投入量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。初始母質(zhì)土壤的紅外光譜圖譜分析中沒(méi)有檢測(cè)到脂族C吸收峰,但是伴隨母質(zhì)熟化時(shí)間的增加,不同生態(tài)系統(tǒng)中脂族C、芳香C、蛋白質(zhì)類和多糖類基團(tuán)的吸收峰明顯增加。有機(jī)物料的施入提高了土壤有機(jī)碳的脂肪性和芳香度。但與成熟黑土相比,每個(gè)官能團(tuán)的吸收峰信號(hào)較弱。用13C固體核磁技術(shù)測(cè)定了母質(zhì)熟化過(guò)程中土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化特征,在核磁共振圖譜中共獲得四個(gè)明顯的官能團(tuán)區(qū),與母質(zhì)土壤有機(jī)碳相比,不同生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過(guò)程提高了土壤有機(jī)碳烷氧C的比例,增加了多糖和蛋白質(zhì)類組分含量。伴隨母質(zhì)熟化過(guò)程進(jìn)行,土壤趨向于脂族性增強(qiáng),芳香性和穩(wěn)定性降低方向發(fā)展。綜上,取自地下2 m的母質(zhì),由于缺少有機(jī)物質(zhì)的供給其有機(jī)碳含量處于“碳饑餓”狀態(tài),當(dāng)外源環(huán)境中投入足夠的有機(jī)物質(zhì)時(shí),土壤有機(jī)碳數(shù)量迅速提高,有機(jī)碳組分和結(jié)構(gòu)也發(fā)生的變化。黑土母質(zhì)熟化過(guò)程中,有機(jī)物料的施入促使處于碳饑餓狀態(tài)的母質(zhì)土壤肥力迅速提升,增加的有機(jī)碳優(yōu)化了不同有機(jī)碳組分的分布和結(jié)構(gòu)特征。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S153.6
【圖文】：

第一節(jié) 研究區(qū)域概況東北黑土區(qū)是世界四大黑土區(qū)之一，主要分布在我國(guó)東北松嫩平原、大興安嶺前平原和遼河平原，北起黑龍江省的嫩江和龍鎮(zhèn)，南至吉林德，西至大興安嶺山地及內(nèi)蒙哲里木盟東部地區(qū)，東達(dá)黑龍江省鐵力此外，在小興安嶺以東、遼寧省北部也有小片黑土分布（圖 2-1）。黑積為 7.015 ×104 km2，其中耕地 2204 萬(wàn)公頃。黑土區(qū)地勢(shì)開闊平坦，土層疏松軟綿，有機(jī)質(zhì)含量高，加之作物生長(zhǎng)期雨熱同季，糧食產(chǎn)列，是我國(guó)重要的商品糧基地，主產(chǎn)玉米、大豆、高粱和小麥，在保安全方面具有重要的地位和作用 (于磊 and 張柏 2004, 韓貴清 009)。

中國(guó)科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文：黑土母質(zhì)熟化過(guò)程中土壤有機(jī)碳變化特征2.2.3 土壤重組有機(jī)碳變化特征重組是由有機(jī)物與礦質(zhì)結(jié)合形成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，其主要成分是腐殖質(zhì)因此重組碳庫(kù)是 3 個(gè)組分中最穩(wěn)定的碳組分，也是土壤有機(jī)碳的主要組成。母質(zhì)熟化 5 年過(guò)程中，不同生態(tài)系統(tǒng)重組有機(jī)碳含量范圍為 4.62-6.92 g kg-1，占土有機(jī)碳的比例為 78-89% （表 4-1-2 和表 4-1-3）。由此可見(jiàn)，重組有機(jī)碳的比例顯著高于輕組有機(jī)碳組分。與初始母質(zhì)相比，重組有機(jī)碳含量增加顯著，然而所占土壤全碳的比例有所下降，伴隨有機(jī)物料的投入比例下降的越多。這說(shuō)明有機(jī)物料的投入主要提升了輕組有機(jī)碳組分。母質(zhì)熟化 10 年過(guò)程中，不同生態(tài)系統(tǒng)重組有機(jī)碳含量范圍為 6.82-11.7 g kg-1，占土壤有機(jī)碳的比例為 91-94%。與熟化 5 年的重組有機(jī)碳相比，含量和比例略有升高。

表 4-2-2. 化學(xué)分組有機(jī)碳百分含量Table 4-2-2. proportion of organic carbon in chemical fractionations%HA FA HU2008 2013 2008 2013 2008 2013NatF15 16 21 13 55 71Alfa15 14 22 12 63 74F0C018 16 42 18 39 66F1C019 17 42 17 39 67F1C115 16 31 14 46 70F1C216 15 33 14 52 71

本文編號(hào)：2758083