東北地理所在黑土母質(zhì)熟化過程中土壤有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體耦合作用方面取得進(jìn)展
土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤健康的關(guān)鍵屬性之一。一般認(rèn)為土壤團(tuán)聚體通過有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)、微生物的捆綁纏繞和電性吸引而形成，這一過程中土壤有機(jī)質(zhì)的作用不可替代。土壤有機(jī)質(zhì)增加可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，土壤團(tuán)聚體的形成和周轉(zhuǎn)又反過來保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)，二者耦合作用微觀機(jī)制的控制因子較多，前期已提出許多概念模型揭示二者的耦合作用關(guān)系及過程，但仍缺乏定量化描述，且已有研究均是針對(duì)表層土壤開展，對(duì)土壤母質(zhì)熟化初期二者之間耦合關(guān)系的研究還甚少。
東北地理所土壤物質(zhì)循環(huán)學(xué)科組基于黑龍江海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)的黑土母質(zhì)熟化定位試驗(yàn)，通過土壤團(tuán)聚體分級(jí)、閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體分離和13C-核磁共振技術(shù)，1）區(qū)分了夏季和冬季土壤不同組分碳的腐解和轉(zhuǎn)化速率參數(shù)，建立了黑土母質(zhì)熟化過程中土壤有機(jī)質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和土壤團(tuán)聚過程的CAST模型，并以2年實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，成功預(yù)測(cè)了黑土母質(zhì)在熟化初期土壤有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚體耦合動(dòng)態(tài)變化過程，發(fā)現(xiàn)母質(zhì)在熟化初期，多年生自然植被恢復(fù)和農(nóng)田化肥加秸稈還田措施使土壤中> 0.25 mm的大團(tuán)聚體比例增加，特別是其內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)含量增加顯著，而0.053–0.25mm的微團(tuán)聚體和< 0.053 mm的粉黏粒比例減少；2）初步描述了母質(zhì)熟化初期土壤的團(tuán)聚化過程及控制因子。土壤初級(jí)團(tuán)聚化過程首先發(fā)生于植物腐解形成的有機(jī)質(zhì)碎片周圍，有機(jī)碎片被黏粒包裹不斷形成閉蓄態(tài)組分，閉蓄態(tài)組分不斷分解，包裹于其外的初級(jí)大團(tuán)聚體不斷形成。初級(jí)大團(tuán)聚體繼續(xù)分解破碎，又形成次級(jí)微團(tuán)聚體、大團(tuán)聚體和粉黏粒。該初級(jí)團(tuán)聚化過程更多受母質(zhì)屬性影響，而受田間施化肥和秸稈等有機(jī)物質(zhì)還田量的影響很小。而農(nóng)田管理措施通過改變有機(jī)質(zhì)在不同粒徑團(tuán)聚體中的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，影響土壤的次級(jí)團(tuán)聚化過程，進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)及其內(nèi)部保護(hù)的土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定化過程；3）進(jìn)一步揭示了團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性機(jī)制，發(fā)現(xiàn)外源碳經(jīng)過一系列的分解和轉(zhuǎn)化，更多的被固存在微團(tuán)聚體內(nèi)的粉黏粒組分中，主要以烷基碳、芳香族碳和羰基碳為主，這部分碳受土壤團(tuán)聚體的物理化學(xué)保護(hù)作用較大，且更多來源于微生物活動(dòng)的代謝產(chǎn)物，有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定化程度較高。而在較大粒徑的大團(tuán)聚體或粗顆粒有機(jī)質(zhì)中，來源于植物殘?bào)w的烷氧基比例更多，其活性和微生物可利用性更高，更容易被微生物和植物分解利用。研究結(jié)果對(duì)于揭示土壤有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體的耦合作用機(jī)制、正確評(píng)價(jià)退化黑土的肥力快速恢復(fù)過程及有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性機(jī)制具有重要意義。
相關(guān)系列研究成果先后發(fā)表在《Advances in Agronomy》、《Journal of Soils and Sediments》、《生態(tài)學(xué)雜志》和《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)》上。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院青促會(huì)項(xiàng)目資助。
論文信息：
Li N, You MY, Han XZ*,et al. Modeling soil aggregation at the early pedogenesis stage from the parent material of a Mollisol under different agricultural practices. Advances in Agronomy. 2017, 142, 181-214.
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0065211316301134
LI N*, Long JH, Han XZ*, et al. Molecular characterization of soil organic carbon in water-stable aggregate fractions during the early pedogenesis from parent material of Mollisols. Journal of Soils and Sediments. 2020, https://doi.org/10.1007/s11368-020-02563-w.
論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11368-020-02563-w
李娜, 韓曉增*, 盛明, 等. 東北黑土成土母質(zhì)培肥過程中土壤肥力變化特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2020, DOI: 10.13287/j.1001-9332.202004.026
苑亞茹, 韓曉增, 李娜*, 等. 不同熟化措施對(duì)黑土母質(zhì)發(fā)育的新成土壤有機(jī)碳庫的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2020, DOI: 10.13292/j.1000-4890.202004.007.
圖1 CAST模型的結(jié)構(gòu)和初始賦值（A）及改進(jìn)的夏季（B）和冬季（C）腐殖化參數(shù)的區(qū)分。圖B和C中的參數(shù)表征不因土地利用方式和土壤管理而變的初始團(tuán)聚過程模擬參數(shù)。
圖2 母質(zhì)發(fā)育初期不同大小土壤團(tuán)聚體質(zhì)量與內(nèi)部有機(jī)碳的相互關(guān)系
圖3 母質(zhì)發(fā)育初期表層土壤不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳化學(xué)組成主成分分析圖
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