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长期不同利用方式对黑土剖面中有机质化学组成的影响

发布日期:2022-09-27 作者:郝翔翔,邹文秀,韩晓增 点击:

研究背景和意义



BACKGROUND & SIGNIFICANCE

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土地利用方式变更会对土壤有机质(SOM)的组分和性质产生重要影响。尽管下层SOM具有较低的浓度和较高的稳定性,但有研究表明,下层SOM对利用方式的改变与上层土壤一样敏感。但目前有关土壤剖面中SOC的研究主要集中在总量及其组分含量等方面,对于不同土层SOM分子结构的研究较少。从分子结构或官能团的角度,揭示土地利用方式转变过程中SOM化学组成的变化规律,对深刻认识SOM的稳定和周转机制具有重要科学意义。东北黑土由自然生态系统开垦为农田后,土体中多年积累的SOM会逐渐降低。而将开垦后的农田土壤进行自然植被恢复的过程中,SOM会不断积累而向其自然水平恢复,但在恢复过程中,SOM的化学组成是否会发生变化,如何变化?不得而知,这限制了对黑土有机质恢复潜力的科学评价。

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研究内容和方法



CONTENT & METHODOLOGY

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本研究以典型黑土区29年长期定位试验(图1)为平台,采用红外光谱和13C核磁共振技术,对农田、自然恢复草地和人工林地三种利用方式下不同剖面深度(0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm)SOM的活性组分含量和有机质官能团进行了分析,探讨了土地利用方式变更对SOM化学组成的影响。

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研究结果
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(1)土地利用方式对黑土0~100 cm土体中的SOM组成产生了重要影响(图2)。农田恢复为自然草地和变更为人工林地,对土壤剖面中活性有机碳的含量具有提升作用,且草地的提升效果强于林地,0~100 cm各土层的活性有机碳含量普遍表现为草地>林地>农田。温带草地生态系统的植物有大部分碳分配于地下,且根系与枝叶比例均衡,根系生物量较一年一季的农田高出10倍以上,这对活性有机碳的形成具有积极意义。

(2)随着剖面深度的增加,SOM的稳定程度呈现规律性变化(图3),活性较高的甲氧基碳和烷氧基碳逐渐降低,而稳定程度较高的芳香碳和羧基碳则逐渐增加,SOM的腐质化程度逐渐增强。

(3)不同利用方式下,草地和林地SOM的甲氧基和烷氧碳含量高于农田,芳香碳则相反,反映了草地和林地SOM含有更多氧化程度低、易分解的组分(烷氧碳),腐殖化程度降低,这与二者较高的活性有机碳含量相符。而农田土壤中,一方面新鲜有机物料输入少,另一方面频繁的耕作会加速纤维素、半纤维素、氨基酸等易氧化物质的分解,导致其芳香结构和羧基碳比例相对较高。


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研究结论


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土地利用方式的改变会引起上、下土层中SOM化学组成的变化。植被恢复有利于SOM活性组分的形成,长期耕作可促进SOM稳定组分的积累。从黑土可持续利用的角度出发,进行适当的休耕,增加新鲜有机物料投入,可提高黑土活性有机质组分,改善土壤肥力。


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