東北地理所在黑土母質(zhì)熟化過程中土壤有機質(zhì)與團聚體耦合作用方面取得進展
土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤健康的關(guān)鍵屬性之一。一般認為土壤團聚體通過有機質(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質(zhì)的作用不可替代。土壤有機質(zhì)增加可促進土壤團聚體的形成，土壤團聚體的形成和周轉(zhuǎn)又反過來保護土壤有機質(zhì)，二者耦合作用微觀機制的控制因子較多，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表層土壤開展，對土壤母質(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)國家野外科學(xué)觀測研究站內(nèi)的黑土母質(zhì)熟化定位試驗，通過土壤團聚體分級、閉蓄態(tài)微團聚體分離和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質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和土壤團聚過程的CAST模型，并以2年實測試驗數(shù)據(jù)進行校準，成功預(yù)測了黑土母質(zhì)在熟化初期土壤有機質(zhì)和團聚體耦合動態(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的大團聚體比例增加，特別是其內(nèi)顆粒有機質(zhì)含量增加顯著，而0.053–0.25mm的微團聚體和< 0.053 mm的粉黏粒比例減少；2）初步描述了母質(zhì)熟化初期土壤的團聚化過程及控制因子。土壤初級團聚化過程首先發(fā)生于植物腐解形成的有機質(zhì)碎片周圍，有機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，包裹于其外的初級大團聚體不斷形成。初級大團聚體繼續(xù)分解破碎，又形成次級微團聚體、大團聚體和粉黏粒。該初級團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質(zhì)在不同粒徑團聚體中的轉(zhuǎn)運效率，影響土壤的次級團聚化過程，進而影響土壤團聚體周轉(zhuǎn)及其內(nèi)部保護的土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定化過程；3）進一步揭示了團聚體內(nèi)部有機碳組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性機制，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，這部分碳受土壤團聚體的物理化學(xué)保護作用較大，且更多來源于微生物活動的代謝產(chǎn)物，有機質(zhì)的穩(wěn)定化程度較高。而在較大粒徑的大團聚體或粗顆粒有機質(zhì)中，來源于植物殘體的烷氧基比例更多，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)果對于揭示土壤有機質(zhì)與團聚體的耦合作用機制、正確評價退化黑土的肥力快速恢復(fù)過程及有機質(zhì)穩(wěn)定性機制具有重要意義。
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》上。本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中科院青促會項目資助。
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,2020, DOI: 10.13287/j.1001-9332.202004.026
苑亞茹, 韓曉增, 李娜*, 等. 不同熟化措施對黑土母質(zhì)發(fā)育的新成土壤有機碳庫的影響. 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聚體質(zhì)量與內(nèi)部有機碳的相互關(guān)系
圖3 母質(zhì)發(fā)育初期表層土壤不同粒徑團聚體內(nèi)有機碳化學(xué)組成主成分分析圖
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