南方典型稻田土壤有机碳固定机制研究 ——基于长期试验及跨地域统计分析

论文摘要

农业土壤固碳作为《京都协议书》认可的固碳措施之一,对稳定生产力和应对气候变化具有双赢的积极效应。国际农业土壤固碳研究也一直十分活跃。目前对土壤固碳的容量及库间的分配、转化与稳定已经积累了大量的研究资料和认识,并随着现代有机质分析技术的发展已经深入到分子水平的固碳机理研究。目前关于不同农业管理措施下土壤有机碳及其组分的分布已有较多的研究报道,而稻田土壤作为我国特色的耕作土壤,其固碳潜力较大,固碳效应明显,在我国应对气候变化中具有举足轻重的作用。因此,阐明稻田土壤固碳的机理对于发展增产和减排共赢的稻作农业技术,增强稻作农业应对气候变化的能力具有重要意义。本研究以我国南方典型稻田土壤为对象,采用典型系统解剖和跨地域统计分析,研究长期试验体系中不同施肥管理下土壤有机碳含量变化及其团聚体有机碳组分分配的变化,并以活性有机碳组分-颗粒有机碳为代表,解剖稻田土壤有机质积累中有机碳组分的化学稳定机制,以阐明有机碳变化与环境因素、作物生产的关系,揭示有机碳积累中不同组分的转化特点,诠释稻田土壤有机碳固定中物理保护-化学结合和稳定的作用,充实稻田土壤有机碳固定机制的认识。并在此基础上通过试验探讨有机碳固定的途径和方法,为国家发展可持续稻作农业和固碳减排技术提供依据。主要研究结果如下：一、颗粒有机碳的积累是指示稻田土壤固碳的敏感性指标以太湖地区黄泥土为例,研究了长期不同施肥下颗粒有机碳（POC）的含量变化。结果表明：本体土壤（bulk soil）中TOC和POC的深度分布均符合幂函数方程（Y=aX-b）。不同的施肥处理主要影响耕层土壤的TOC和POC含量及其分配比例,而并未改变其深度分布格局。有机无机肥配施下由于有机物质的输入其TOC和POC含量显著高于其它处理。另外,太湖地区黄泥土的水稳性团聚体（WSAs）组成以>2 mm和2-0.25 mm粒径为主,施肥下>2 mm粒径的WSAs显著增加,并伴随2-0.25 mm粒径的明显减少。POC主要存在于>2 mm粒径的WSAs中,并随着团聚体粒径的减小而明显减少。>2 mm粒径WSAs中的POC对施肥的响应较为敏感,以化肥与秸秆配施下该粒径的POC积累最为明显。而化肥与猪粪配施则显著增加了2-0.25 mm和0.25-0.053 mm粒径的POC含量。土壤不同层次WSAs中POC的来源不同,在0-5 cm表层可能主要来源于作物生物量的输入,而在5-15 cm土层则可能跟外源有机物的施入有关。二、稻田土壤固碳存在着粗团聚体的物理保护及氧化铁的化学结合机制在本课题组对长期试验下紫泥田、红泥砂田和太湖地区黄泥土团聚体颗粒组SOC及其键合形态分析数据的基础上,运用跨区域分析探讨稻田土壤固碳的团聚体物理保护和氧化铁化学结合机制。结果表明：直径为2000-200μm的粗团聚体作为新增有机碳的主要载体,随长期不同耕作和施肥的变化最为强烈,其中又以红泥砂田的有机碳（sOC）变化最为明显,说明其良好管理下的有机碳累积效应最为显著。统计分析表明,本体土壤SOC积累量与2000-200μm粗团聚体SOC积累量之间的关系可用抛物线方程拟合（R2=0.95,n=8）。长期试验下粗团聚体对新固定有机碳的物理保护可能存在某种饱和机理。计算表明,供试稻田土壤的粗团聚体物理保护在长期试验期内还未达到其饱和限。同时,红泥砂田的粗团聚体保护作用最强,仍然具有明显的固碳潜力.直径为2000-200μm粗团聚体中的钙键合态有机碳（Ca-SOC）和铁铝键合态有机碳（Fe（Al）-SOC）对长期不同耕作和施肥的响应最为敏感,良好的耕作施肥下稻田土壤SOC的积累主要表现为Fe（Al）-SOC的增加。氧化铁铝的含量与SOC之间存在一定的依变关系,说明这些土壤发生的无机组成分在有机碳的保护与稳定中发挥着重要的作用,并且以红泥砂田粗团聚体中的氧化铁铝对有机碳的保护作用最强。因此,团聚体更新中物理保护的有机碳在细团聚体形成中进一步与氧化铁铝的键合可能是这些稻田土壤有机碳稳定的重要机制。三、有机质分子结构稳定是稻田土壤颗粒有机碳稳定积累的重要化学稳定机制采用固体交叉极化魔角自旋13C核磁共振（CPMAS 13C-NMR）波谱技术对长期不同施肥下红泥砂田和太湖地区黄泥土POC的化学结构特征进行了研究,以揭示稻田土壤固碳的化学稳定机制。结果表明,本体土壤和WSAs中POC的结构组成相似,主要以烷氧C为主,其次为烷基C和芳香C。施肥改变了本体土壤POC各类C原子的相对含量,化肥配施有机肥下烷氧c明显降低,伴随芳香C和酚基C不同程度的增加,使得芳香度和疏水性增强,表明POC的稳定性增强；而单施化肥下烷氧C最高,烷基C和芳香C均最低,导致芳香度和疏水性降低,从而POC的稳定性减弱。施肥还改变了太湖地区黄泥土WSAs中POC不同C原子的相对含量,使得POC对团聚体的稳定性作用发生变化。而红泥砂田WSAs中POC各类C原子的分配并未明显受到施肥的影响。而运用热裂解气相质谱（Pyr-TMAH-GC/MS）技术对太湖地区黄泥土POC的结构特征进行的进一步研究表明,各施肥处理下POC的热裂解产物主要以脂肪族化合物和木质素类化合物为主。脂肪族化合物主要为C8-C30脂肪酸酯（FAMEs）,且大多为偶数碳结构。施肥改变了各裂解产物在本体土壤和WSAs中的分布,从而使得不同施肥处理下各类化合物对POC稳定性的贡献出现了差异。化肥配施猪粪下木质素类化合物以及微生物源的脂肪族化合物均贡献于本体土壤POC的积累与稳定,而化肥配施秸秆下本体土壤POC的化学稳定性主要归因于高等植物源和微生物源脂肪族化合物的共同贡献。化肥配施有机肥下WSAs中较高的POC主要归因于植物源有机质的分解贡献而非微生物本身。本研究揭示了化肥配施有机肥下POC的疏水性组分在提高其化学抗性和稳定性中的重要作用。四、合理的施肥措施促进稻田土壤作物碳同化和与土壤碳固定效应在稻田土壤内部有机碳固定机制研究的基础上,为了进一步探讨稻田土壤固碳的土壤-作物系统关系,以太湖地区黄泥土的长期肥料定位试验为典型案例,分析了不同施肥处理对作物碳同化及土壤碳固定的影响。结果表明,施肥对水稻产量有显著影响,尤其以有机无机肥配施处理水稻产量显著最高且最为稳定。施肥显著提高了耕层土壤碳密度,固碳速率以有机无机肥配施处理显著高于单施化肥处理。相关性分析表明,土壤固碳速率与作物输入碳+有机肥源碳的总输入量呈显著的线性正相关关系。这提示土壤有机碳积累主要与作物产量有关,而并非依变于有机肥源碳输入。因此,与作物产量直接关联的作物碳输入的增加是提高土壤碳固定的重要途径。肥料N素对水稻碳同化和土壤碳固定的效应均为化肥配施有机肥处理显著高于单施化肥处理。这揭示化肥配施有机肥是提高与稳定稻田生产力和促进土壤固碳与温室气体减排的双赢措施。五、外源碳输入贡献于稻田土壤的有效固碳,但因土壤类型而异在对太湖地区黄泥土施肥下作物碳同化与土壤碳固定案例分析的基础上,通过收集我国南方4种典型稻田土壤（紫泥田、红泥砂田、太湖地区黄泥土和青紫泥）长期不同施肥下的土壤有机碳及作物产量的年际数据,进一步分析不同类型稻田土壤固碳的土壤-作物关联机制。结果表明：不同施肥处理下的土壤年均固碳量线性依存于年均碳输入增量,施肥措施主要通过增加外源碳输入来促进土壤的有效固碳,单位碳输入增加下以紫泥田和红泥砂田的年均固碳量相对较高。良好施肥下的饱和固碳量以红泥砂田的明显最高,其次为青紫泥。统计分析表明,施肥下不同类型稻田土壤的固碳效率（碳输入增量与土壤固碳的线性关系斜率）主要受到初始有机碳水平的控制,而与黏粒之间的相关性并不明显。不同类型稻田土壤的饱和固碳量与游离氧化铁以及降水量之间有着密切的正相关关系。可见,稻田土壤中活跃的氧化铁对土壤碳储量的提高起着积极的促进作用,而黏粒并非土壤固碳的控制因子。施肥下稻田土壤的有效固碳还促进了肥料N素的农学效率。气候可能是影响稻田土壤碳储量变化的另一主导因子。六、稻田土壤氧化铁可有效辅助农业固碳减排.在固碳机理研究的基础上,通过选取水稻秸秆、猪粪、污泥和颗粒有机肥,添加氧化铁后分别进行室内好气培养（25℃）和田间填埋矿化（夏季）,以探索农业固碳减排的技术途径。结果表明：好气培养条件下,氧化铁明显降低了水稻秸秆、猪粪、污泥和颗粒有机肥的C02释放速率,整个培养期间的C02累积释放量分别由未添加氧化铁的10934.45、5426.12、5288.43和794.90 mg C02-C kg-1降低为添加氧化铁的125.47、1535.15、1473.36和498.72 mg C02-C kg-1,以水稻秸秆的效果最为显著。田间填埋条件下,除了颗粒有机肥的有机碳降解速率基本未受氧化铁影响外,其余三种有机物料在每一取样阶段的有机碳降解速率均受到了氧化铁的有效抑制。填埋90天后,水稻秸秆、猪粪和污泥的有机碳降解速率分别由未添加氧化铁的34.06%、14.91%和19.90%,降低为添加氧化铁的24.25%、9.45%和14.24%,也以水稻秸秆的效果最为明显。可见,无论是室内好气培养还是田间填埋矿化,氧化铁均表现出对有机物料矿化降解的有效抑制作用,具有明显的有机碳回持能力。综上所述,稻田土壤有机碳的固定机制主要表现为团聚体物理保护、氧化铁化学结合和分子结构化学稳定的共同作用,从而构成稻田土壤特色的固碳机理。而黏粒保护理论并不足以解释普遍观察到的稻田土壤有机碳快速积累的原因。并且,这种固定的有机碳主要来源于外源碳输入的贡献,但是这种贡献也因土壤类型和土壤组成分的不同而异,进而影响到稻田土壤固碳的饱和趋势。外源碳输入贡献与稻田土壤内在的有机碳固定机制相辅相成,共同促进稻田土壤碳储量和固碳潜力的提高。今后还需加强对较大区域尺度和气候背景下的有机碳固定机制的研究,以区分不同的固碳机制在不同类型土壤中的相对重要性和相对贡献,并探讨气候在农业土壤固碳中的作用。另外,加强固碳机制基础上固碳技术的开发研究,以寻求快速有效的固碳方法与途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 气候变化与固碳减排
• 1.1.1 全球气候变化与固碳减排需求
• 1.1.2 农业土壤固碳及其意义
• 1.1.2.1 土壤有机碳库的变化
• 1.1.2.2 农业土壤的固碳潜力
• 1.1.3 稻田土壤固碳及其在应对气候变化中的意义
• 1.2 农业土壤有机碳固定机制
• 1.2.1 土壤有机碳物理保护——团聚体的物理保护作用
• 1.2.2 土壤有机碳化学保护——有机碳与土壤组成分的化学键合与稳定
• 1.2.3 土壤有机碳化学稳定——有机质的化学结构转化与稳定
• 1.3 颗粒有机碳的农业管理及对于固碳减排的意义
• 1.3.1 土壤颗粒有机碳的概念及其意义
• 1.3.2 农业管理下土壤颗粒有机碳含量的变化
• 1.3.3 农业管理下土壤颗粒有机碳结构特征的变化
• 1.4 农业生态系统长期试验及其对于土壤碳循环研究的意义
• 第二章 稻田本体土壤的颗粒有机碳分布——以太湖地区黄泥土长期试验为例
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 供试土壤
• 2.2.2 土壤采样
• 2.2.3 样品分离提取与分析
• 2.2.3.1 样品提取
• 2.2.3.2 有机碳和土壤全氮测定
• 2.2.4 数据分析与计算
• 2.2.4.1 结果计算
• 2.2.4.2 统计分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 土壤总有机碳含量与剖面分布
• 2.3.2 颗粒有机碳含量及其分配比例
• 2.3.2.1 稻田土壤不同层次颗粒有机碳含量及分配比例
• 2.3.2.2 颗粒有机碳含量及其分配比例的深度分布
• 2.3.3 土壤TOC/TON和POC/PON的剖面分布
• 2.4 讨论
• 2.4.1 稻田土壤总有机碳和颗粒有机碳随深度的变化
• 2.4.2 施肥对稻田土壤总有机碳和颗粒有机碳的影响
• 2.5 小结
• 第三章 稻田土壤水稳性团聚体的颗粒有机碳分布——以太湖地区黄泥土长期试验为例
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 供试土壤
• 3.2.2 土壤采样
• 3.2.3 样品分离提取与分析
• 3.2.3.1 水稳性团聚体的分离提取
• 3.2.3.2 水稳性团聚体中颗粒有机物的分离提取
• 3.2.3.3 有机碳和全氮测定
• 3.2.3.4 结果计算
• 3.2.4 数据统计
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 土壤水稳性团聚体含量
• 3.3.2 水稳性团聚体中的TOC和POC
• 3.3.3 水稳性团聚体中的TOC/TON和POC/PON
• 3.4 讨论
• 3.4.1 施肥对土壤水稳性团聚体的影响
• 3.4.2 施肥对土壤水稳性团聚体中TOC和POC的影响
• 3.5 小结
• 第四章 稻田土壤固碳的团聚体保护和化学结合机制
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 供试土壤
• 4.2.1.1 紫泥田（PP）
• 4.2.1.2 红泥砂田（RP）
• 4.2.1.3 太湖地区黄泥土（TP）
• 4.2.2 数据收集
• 4.2.3 数据统计
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 土壤有机碳积累与团聚体颗粒组变化的关系
• 4.3.2 土壤有机碳积累的饱和限
• 4.3.3 土壤有机碳积累与其键合形态的关系
• 4.4 讨论
• 4.4.1 土壤固碳与团聚体物理保护作用
• 4.4.2 耕作施肥影响下有机碳键合态对有机碳积累的作用
• 4.5 小结
• 第五章 稻田土壤固碳的化学稳定机制——长期试验稻田土壤颗粒有机碳的CPMAS 13C-NMR分析
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 供试土壤
• 5.2.1.1 太湖地区黄泥土（TP）
• 5.2.1.2 红泥砂田（RP）
• 5.2.2 土壤采样
• 5.2.3 样品分离提取与分析
• 5.2.3.1 本体土壤颗粒有机物的分离提取
• 5.2.3.2 水稳性团聚体的分离提取
• 5.2.3.3 水稳性团聚体中颗粒有机物的分离提取
• 5.2.3.4 核磁共振分析
• 5.3 结果与分析
• 13C-NMR波谱特征'>5.3.1 本体土壤颗粒有机碳的CPMAS ¹³C-NMR波谱特征
• 5.3.2 水稳性团聚体中颗粒有机碳不同碳原子的相对含量
• 5.4 讨论
• 5.4.1 施肥下本体土壤颗粒有机碳的结构特征变化
• 5.4.2 施肥下水稳性团聚体中颗粒有机碳结构特征的变化
• 5.5 小结
• 第六章 稻田土壤固碳的化学稳定机制——长期试验黄泥土颗粒有机碳的Pyr-TMAH-GC/MS分析
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 供试土壤
• 6.2.2 土壤采样
• 6.2.3 样品分离提取与分析
• 6.2.3.1 本体土壤颗粒有机物的分离提取
• 6.2.3.2 水稳性团聚体的分离提取
• 6.2.3.3 水稳性团聚体中颗粒有机物的分离提取
• 6.2.3.4 热裂解（离线）
• 6.2.3.5 气相-质谱分析
• 6.2.4 热裂解产物的参数计算
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 本体土壤颗粒有机碳的Pyr-TMAH-GC/MS图谱特征
• 6.3.2 水稳性团聚体中颗粒有机碳的Pyr-TMAH-GC/MS图谱特征
• 6.4 讨论
• 6.4.1 不同施肥下本体土壤颗粒有机碳热裂解产物的差异
• 6.4.2 不同施肥下水稳性团聚体中颗粒有机碳热裂解产物的差异
• 6.5 小结
• 第七章 稻田土壤有机碳积累特点:土壤-作物关联性——太湖地区黄泥土长期试验案例分析
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 供试土壤
• 7.2.2 土壤采样
• 7.2.3 有机碳测定
• 7.2.4 计算方法
• 7.2.4.1 土壤外源有机碳输入估算
• 7.2.4.2 表土碳密度估算
• 7.2.4.3 氮素年施入量估算
• 7.2.5 数据统计
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 长期不同施肥下作物产量的变化
• 7.3.2 不同施肥下耕层土壤有机碳含量的变化
• 7.3.3 不同施肥下土壤碳密度的变化
• 7.4 讨论
• 7.4.1 土壤有机碳积累与作物产量及有机物质输入的关系
• 7.4.2 不同施肥下氮素的作物碳同化与土壤固碳效应
• 7.5 小结
• 第八章 稻田土壤固碳的土壤-作物关联性——南方稻田土壤长期试验的跨地域分析
• 8.1 引言
• 8.2 材料与方法
• 8.2.1 供试土壤
• 8.2.1.1 紫泥田（PP）
• 8.2.1.2 红泥砂田（RP）
• 8.2.1.3 太湖地区黄泥土（TP）
• 8.2.1.4 青紫泥（SP）
• 8.2.2 数据搜集
• 8.2.3 计算方法
• 8.2.3.1 土壤外源有机碳输入估算
• 8.2.3.2 土壤固碳量估算
• 8.2.3.3 氮素年施入量估算
• 8.2.4 数据统计
• 8.3 结果与分析
• 8.3.1 有机物质输入对土壤固碳的影响
• 8.3.2 施肥下稻田土壤的饱和固碳量
• 8.3.3 土壤固碳与N素农学效率的关系
• 8.4 讨论
• 8.4.1 土壤固碳效率的差异及其影响因素
• 8.4.2 良好施肥下稻田土壤固碳的饱和水平
• 8.4.3 土壤固碳对氮肥的肥效效应
• 8.5 小结
• 第九章 稻田土壤氧化铁辅助有机碳固定减排的技术探索
• 9.1 引言
• 9.2 材料与方法
• 9.2.1 供试有机物料
• 9.2.2 氢氧化铁胶体的制备
• 9.2.3 有机物料造粒
• 9.2.4 室内好气培养
• 9.2.5 田间填埋矿化
• 9.3 结果与分析
• 9.3.1 好气培养下有机物料的矿化
• 9.3.2 田间填埋条件下有机物料的降解
• 9.4 讨论
• 9.5 小结
• 第十章 全文讨论与结论
• 10.1 全文讨论
• 10.1.1 稻田土壤有机碳固定的综合机制与相对贡献
• 10.1.2 稻田土壤固碳在生态系统固碳减排中的作用
• 10.1.3 稻田土壤固碳机制对于固碳潜力评估的意义
• 10.2 主要结论
• 10.3 本研究的创新点
• 10.4 不足之处和研究展望
• 10.4.1 本研究的不足之处
• 10.4.2 研究展望
• 参考文献
• 缩略语一览表
• 攻读学位期间撰写和发表的论文及申报的发明专利
• 致谢