基于典型分子标记物的川西北高原土壤有机质更替研究

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土壤有机质(soil organic matter,SOM)的更替机制对全球范围内碳循环过程有极其重要的影响。近年来,研究者对于探究SOM在不同类型土壤的储量及剖面土壤中的降解与稳定机制产生了极大地兴趣。木质素是SOM中一类稳定难降解的芳香类化合物,传统观念认为其是稳定SOM的主要来源,并长期被学者视作典型分子标记物用于示踪SOM的来源、分布以及更替。木质素在剖面土壤中的含量及储存状态受到多种因素影响,然而,目前还未有统一的定论很好的阐释木质素在垂向迁移过程的分布与降解程度。由于气候变化及人为活动(放牧、农耕等)影响,不同退化程度草地土壤中木质素的更替机制尚不清楚。因而,探究不同演替水平土壤中木质素的分布特征以及土壤环境因子对木质素储存和降解的影响,对于阐释高寒草原的SOM循环过程有重要意义。本研究选取川西北高原地区广泛分布的沼泽土(WQZ)和亚高山草甸土(AMX)作为研究对象,通过调研了解土壤主要覆盖植被类型,采用碱性氧化铜水解法提取典型分子标记物,探究其在土壤垂直剖面上的分布及降解特征。研究结合稳定同位素技术推断木质素与SOM整体降解状态,探讨了土壤环境因子对典型分子标记物与SOM的影响,并得出以下主要结果:(1)AMX与WQZ土壤SOM含量呈现显著差异,且高于全国土壤有机碳含量平均水平(旱地17.2 g·kg-1;水田:27.7 g·kg-1)。根据剖面上SOC储量可知,沿剖面方向上,AMX土壤碳“汇”能力减弱,WQZ土壤碳“汇”能力增强。(2)根据稳定同位素技术分析,AMX土壤SOM降解速率高于WQZ。AMX土壤N矿化速率较高,有利于SOM降解。AMX土壤木质素降解速率低于SOM整体,WQZ土壤木质素降解率略高于SOM整体,表明AMX土壤中木质素是SOM主要来源,WQZ环境有利于易降解SOM的储存。(3)SOM主要来源于C3型被子植物草本组织。不同类型土壤中,木质素含量具有显著差异。在AMX土壤中,表层(0-30 cm)、中层(30-60 cm)与下层(60-80 cm)土壤之间有显著差异,其层间分布与土壤颗粒机械组成显著相关,而在WQZ土壤中层间差异均显著。表层土壤(0-30 cm)中木质素来源于枯落物及根系,而深层木质素主要依赖于表层土壤木质素的垂向迁移。AMX土壤中,(Ad/Al)v及(Ad/Al)s沿剖面增大,Σ8沿剖面下降,Λ8上升。表明下层土壤有利于木质素的稳定,上层土壤有利于木质素的积累。沼泽土SOM输入量较大,其环境不利于SOM的分解,SOM向深层土壤中的快速迁移与SOM随时间的叠加积累可能是沼泽土碳积累的主要方式。(4)土壤环境因子对亚高山草甸SOM的更替有显著影响。p H、含水率、TN、SOC、土壤容重、粒径分布以及微生物群落结构等共同决定了木质素在土壤中的含量及降解。含水率、土壤机械组成对于SOM的层间分布影响最为显著。在沼泽土上,环境因子与典型分子标记物、SOM无显著相关性,表明典型分子标记物、SOM整体在土壤中的分布与淋溶作用、含水率(季节性讯流)、气温有很大的关系。当前,相较于亚高山草甸土,沼泽土环境中SOM更替速率较慢,更有利于SOM的储存。但同时沼泽土可能受含水量影响较大,河道改流、气温升高等对沼泽土碳汇功能有很大的威胁。
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