稻田土壤有機碳積累、穩(wěn)定及其生態(tài)功能變化：灘涂圍墾稻田植稻時間序列案例研究.pdf

1、土壤有機質是土壤的最關鍵組成部分，它促使土壤團聚體和良好結構的形成，提供微生物能源而養(yǎng)育土壤的生物區(qū)系，是土壤生物過程的驅動者，從而驅動和調節(jié)土壤中養(yǎng)分、水、能量循環(huán)，發(fā)揮土壤的生態(tài)系統(tǒng)功能服務。因此，土壤發(fā)育中土壤有機質-團聚體-微生物區(qū)系-土壤生態(tài)系統(tǒng)功能活性間的關系是土壤學的本質問題。已有研究表明，水稻土在水耕熟化過程中有機碳有明顯的積累趨勢和固碳潛力。
　　水稻土是我國長期栽培水稻下水耕熟化過程而形成發(fā)育的一類特色農業(yè)土壤

2、，是獨特的人為土壤(Anthrosols)。我國種植水稻已有7000-10，000年的歷史，水稻土可以起源于多種土壤類型，經(jīng)過長期水稻生產(chǎn)的人為管理和耕作，水耕熟化過程的長期演化而定向發(fā)育為具有特有的剖面形態(tài)特征和理化性質，并形成穩(wěn)定的作物生產(chǎn)力。已有研究表明，水稻種植下水稻土有機碳積累明顯，并具有較高的化學和生物學穩(wěn)定性。水稻土發(fā)育中有機質積累和穩(wěn)定是如何隨著植稻年限而演進，其微生物、生物活性功能如何與有機質積累相變化，這是還沒有清楚

3、的問題。浙江慈溪沿海地區(qū)，2000多年以前通過修筑海塘以墾殖灘涂而種植水稻，形成了一系列具有植稻歷史記載的不同發(fā)育程度的水稻土，可以用來追蹤長期植稻下有機碳的積累和穩(wěn)定及其生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化。本研究選取了未開墾的灘涂(P0)以及植稻50年(P50)、100年(P100)、300年(P300)和700年(P700)的稻田，分析不同植稻年限土壤理化性質的變化，利用化學分組以及團聚體分組的方法分析有機碳積累和穩(wěn)定，并利用酶分析技術等分析土

4、壤微生物功能活性的變化，同時利用添加外源有機碳培養(yǎng)的方法探索稻田土壤的固碳能力，以此來探討水稻土熟化過程中有機碳積累和穩(wěn)定條件下土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的演變，揭示有機碳積累過程中涉及到的固定和穩(wěn)定化，以及不同有機碳組分對有機碳積累的相對貢獻，以及不同植稻年限土壤的微生物功能活性的演變，為完善土壤有機質的生態(tài)系統(tǒng)功能研究提供理論依據(jù)。主要研究結果如下:
　　一、長期種植水稻下土壤有機碳積累
　　稻田土壤中有機碳隨著植稻時間的延

5、長顯著增加。有機碳含量由P0的6.32g kg-1增加至植稻50年時的15.97 g kg-1以及植稻300年時的17.97 g kg-1，隨著植稻時間的延長，增加的程度逐漸減小。圍墾的稻田土壤可溶性碳(Dissolved organic carbon，DOC)、易氧化態(tài)碳（Labile organic carbon，LOC）、顆粒態(tài)有機碳(Particulate organiccarbon，POC)、鐵結合態(tài)碳（Fe bound or

6、ganic carbon，F(xiàn)e-OC）、胡敏酸碳(Humic acid carbon，HA-OC)和胡敏素碳（Humin carbon，HM-OC）含量顯著提高，鈣結合態(tài)碳(Cabound organic carbon，Ca-OC)含量則隨著植稻時間的增加而逐漸降低。活性有機碳中，DOC/SOC在P50和P100中最高，隨著植稻時間增加而降低，LOC/SOC在P0中最高，植稻50年后降低且保持相對穩(wěn)定，POC/SOC則隨著植稻時間逐漸提

7、高。相反的，隨植稻時間增加，穩(wěn)定有機碳組分中，F(xiàn)e-OC/SOC和HA-OC/SOC不斷提高，而Ca-OC/SOC逐漸降低，HM-OC/SOC則無顯著變化。以上結果表明，隨著植稻時間的增加土壤有機碳積累，其中穩(wěn)定組分的積累逐漸增加，而不穩(wěn)定的活性組分在植稻50年時就已達到穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　總體上，與未開墾的灘涂相比，長期植稻后LOC/SOC與Ca-OC/SOC分別降低了28.73％-41.98％和67.02％-83.95％，POC

8、/SOC提高了21.61％-50.42％，HA-OC/SOC提高了49.49％-127.67％; DOC/SOC在P50和P100分別提高了13.77％和11.01％，而在P300和P700分別降低了3.33％和19.94％, Fe-OC/SOC在P50降低了29.21％，而在P100和P300中提高了11.43％和51.15％。以上結果表明，長期植稻過程中，有機碳的增加主要是由于作物源碳的輸入引起的顆粒態(tài)有機碳的增加、有機碳與鐵氧化物

9、的結合、腐殖化作用形成的的穩(wěn)定性組分的積累引起的。
　　通過核磁共振圖譜分析得出胡敏酸碳主要是由烷基碳和烷氧碳組成，分別占所有碳原子的30.29％-37.10％和17.62％-21.63％，其次是芳香碳占14.85％-16.50％，羧基碳最低。灘涂圍墾為稻田50年后，烷基碳和羧基碳相對含量降低，烷氧碳和芳香碳增加;水稻長期種植過程中，烷基碳相對含量逐漸增加至37.10％，而烷氧碳含量降低至18.81％，從而胡敏酸中烷氧碳/烷基碳比

10、值提高，疏水性增加，表明長期植稻土壤中有機質的腐殖化程度以及結構穩(wěn)定相提高。
　　以上結果表明，不同植稻年限的土壤中各有機碳組分對有機碳積累的相對貢獻不同，長期植稻過程中有機碳的積累機制發(fā)生變化，圍墾初期有機碳積累主要是因為作物源碳的輸入，植稻50年后團聚體的物理保護和鐵氧化物的化學結合和化學穩(wěn)定以及腐殖化作用增強引起的穩(wěn)定性組分的積累和有機質結構穩(wěn)定化對有機碳積累的貢獻逐漸提高。
　　二、長期植稻下土壤中微生物生物量碳及酶

11、活性的變化
　　微生物生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)由P0的63.61 mg kg-1增加至P100的532.44mg kg-1，提高幅度為722.42％，此后微生物生物量碳保持相對穩(wěn)定。微生物熵由P0的1.02％增加至P100的3.12％，提高幅度為205.88％，其變化趨勢與MBC類似;長期植稻過程中除了酸性磷酸酶以外，蔗糖酶、脲酶、β-葡糖糖苷酶、β-纖維二糖酶和過氧化物酶活性均提高，在

12、P700的稻田中分別比P0提高了214.81％，116.33％，641.89％，749.60％，77.21％;隨著植稻年限的增加土壤中歸一化酶活性逐漸增加，由P0的0.11個單位增加至P700的0.30個單位，有機碳酶強度和微生物生物量酶強度在P0中最高，分別為0.0176和1.73，對于稻田來說，酶強度隨著植稻年限的增加而逐漸提高;土壤的基礎呼吸量在P0中最低，隨著植稻年限增加逐漸提高，在植稻100年后沒有顯著變化;單位有機碳的呼吸量

13、在長期的植稻過程中差異不顯著;微生物代謝熵在P0中最高為15.29 mg CO2-C g-1MBC，長期植稻的稻田土壤微生物代謝熵較低，且維持相對穩(wěn)定。以上結果表明，隨著植稻年限增加，微生物生物量和酶活性提高，稻田土壤中微生物對有機碳的利用率提高，有機碳的積累促進了微生物功能活性提高。
　　三、團聚體顆粒組中有機碳和酶活性的分布
　　隨著植稻年限的增加團聚體顆粒組的分布、團聚體內有機碳組成和酶的活性發(fā)生變化。團聚體顆粒組主要

14、是分布于200-20μm和20-2μm微團聚體，分別占39.91-46.53％和36.97％-41.00％，2000-200μm大團聚體顆粒組合量由P0的2.78％增加至P700的7.63％，團聚體的平均重量直徑由P0的86.46μm增加至P700的132.24μm，說明隨著植稻年限延長團聚體的穩(wěn)定性逐漸提高;有機碳和全氮含量在2000-200μm團聚體顆粒組中以及＜2μm團聚體顆粒組中較高，并且稻田中有機碳和全氮含量高于未開墾的灘涂;

15、C/N隨著團聚體粒徑的減小而降低，在2000-200μm團聚體顆粒組中隨著植稻年限增加而提高;大團聚體顆粒組中有機碳穩(wěn)定性較低，而粘粒組中有機碳穩(wěn)定性較高;與未開墾灘涂相比，稻田團聚體顆粒組中有機碳的結構組成發(fā)生變化，主要是芳香族碳和脂肪族碳的增加;微生物生物量碳隨著粒徑減少而逐漸降低;隨著植稻年限的增加，各粒徑團聚體顆粒組中微生物生物量碳加顯著增加，尤其是在2000-200μm團聚體顆粒組中;蔗糖酶、β-葡糖糖苷酶和β-纖維二糖酶主要

16、分布在2000-200μm大團聚體顆粒組中，脲酶活性在2000-200μm團聚體中最低，酸性磷酸酶在2000-200μm和＜2μm團聚體中較高，過氧化物酶在各粒徑中的分布一致;各粒徑團聚體顆粒酶活性在稻田土壤中比在未開墾灘涂中高。有機碳組分與酶活性之間的相關性在2000-200μm團聚體中最高，隨著粒徑的減小，其相關性逐漸降低。以上結果表明，長期種植水稻促進了土壤團聚體顆粒組的形成，并提高了團聚體的穩(wěn)定性，植稻提高了團聚體顆粒組中有機碳

17、的含量而且引起團聚體顆粒組中有機碳結構穩(wěn)定性提高，體現(xiàn)在微生物功能活性方面則是提高了稻田土壤2000-200μm團聚體中微生物生物量和酶活性。
　　四、長期植稻下土壤的固碳能力變化
　　添加外源有機碳培養(yǎng)180天后，進入土壤中的外源有機碳由P0的1.38 g kg-1增加至P100的2.78 g kg-1，植稻100年后無顯著變化，表明長期植稻的土壤固定更多的有機碳;添加外源有機碳培養(yǎng)過程中，團聚體顆粒的分布發(fā)生變化，200

18、0-200μm團聚體顆粒含量增加，＜20μm的團聚體顆粒組減少;隨著植稻年限的延長，2000-200μm團聚體顆粒組中外源有機碳含量降低，＜2μm團聚體顆粒組中逐漸增加，表明長期植稻促進了外源有機碳由大粒徑團聚體向小粒徑團聚體的穩(wěn)定結合;然而，隨著植稻年限的延長，2000-200μm團聚體顆粒組中外源有機碳分布則逐漸提高，表明長期植稻促進了團聚體顆粒對外源有機碳的物理保護作用。
　　本研究描述了灘涂圍墾的稻田土壤在長期植稻過程中有

19、機碳積累和穩(wěn)定性的動態(tài)變化。土壤有機碳在圍墾的最初階段大幅度增加，長期植稻后有機碳保持動態(tài)穩(wěn)定。長期植稻的土壤中有機碳的積累最主要的原因是氧化鐵的結合以及團聚體對有機碳的物理保護作用。此外，長期植稻的土壤中有機碳中腐殖化作用引起的胡敏酸中分子抗性提高，化學穩(wěn)定性增強也是有機碳積累重要因素。同時，隨著植稻年限的延長，微生物生物量和酶活性逐漸提高。以上研究結果表明，長期種植水稻提高了土壤有機碳的功能和生態(tài)系統(tǒng)服務，主要表現(xiàn)在有機碳積累下驅動