澧阳平原古水稻土有机碳形态、转化及结构特征

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土壤有机质是全球碳循环的重要组成部分,埋藏古水稻土由于古代“火耕水耨”条件与现代大量机械化耕作、化肥施用耕作方式的差异,经过了长期的封闭,其成土过程对有机质的影响存在不确定因素。本研究借助澧阳平原杉龙岗遗址水稻土序列剖面采集土壤样品,对各层次水稻土的不同形态有机碳进行测定,对比分析了埋藏古水稻土与现代耕作水稻土不同结合态腐殖质的剖面分布差异,运用多种光谱学和波谱学手段探讨了现代耕作水稻土与埋藏古水稻土的腐殖物质组分胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的元素组成及其结构表征,采用了X射线衍射、扫描电镜等方法探究粘粒复合体矿物组成、形貌特征及元素组成。取得以下主要结论:(1)杉龙岗遗址水稻土PA、PB、PC剖面有机碳(SOC)含量变化范围为5.1010.85g/kg,均随土层深度的增加逐渐降低,但埋藏古水稻土SOC含量变化幅度小于现代耕作水稻土;不同粒径团聚体SOC含量大小表现为:(5-2mm)>(2-1mm)>(1-0.25mm)>(<0.25mm),埋藏古水稻土不同粒径团聚体内SOC含量分布相比现代耕作水稻土分布较均一。(2)埋藏古水稻土各土层SOC、活性SOC、易氧化SOC、水溶性SOC含量分布较均匀,均小于现代耕作水稻土,耕作层尤为显著;与现代耕作水稻土相比,埋藏古水稻土各土层SOC矿化累积量、矿化速率均更低;剖面SOC潜在矿化量与SOC含量、不同SOC形态、p H值呈正比,与土层深度呈反比。(3)PC剖面水稻土红外光谱显示主要集中在无机化合物与卤素的振动,芳烃、烯烃和羟基化合物等功能团也显示出较明显的振动。在36191630cm-1波段,去有机质前红外光谱吸光值表现为:埋藏古水稻土<现代耕作水稻土;在1630469 cm-1波段,则相反。去有机质后的吸光值均表现为:埋藏古水稻土<现代耕作水稻土。由红外光谱一阶倒数(FD值)可知,埋藏古水稻土与现代耕作水稻土红外光谱一阶倒数差异不大,FD值表现为:去有机质前>去有机质后。————————————————(4)与现代耕作水稻土相比,埋藏古水稻土各形态腐殖质含量变化幅度很小,相对比较稳定。埋藏古水稻土各结合态腐殖质平均含量表现为:稳结合态<紧结合态<松结合态,比现代耕作水稻土各结合态腐殖质的含量变化幅度要小。(5)除黏粒级(<2μm)外,埋藏古水稻土粉砂级、细砂级、粗砂级有机矿质复合体含量均小于现代耕作水稻土。X射线衍射测定结果表明埋藏古水稻土黏粒级有机矿质复合体中伊利石与高岭石含量大于现代耕作水稻土,而蛭石相反。能谱扫描电镜测定结果表明PC剖面黏粒级有机矿质复合体各元素比重的百分比为Fe<Al<Si<O;其在耕作层O元素相对含量表现为:埋藏古水稻<现代耕作水稻土,而Fe、Si与Al元素表现为:埋藏古水稻>现代耕作水稻土。(6)剖面两组水稻土各土层HA与FA的C/H、O/C原子数比在埋藏古水稻土耕作层更大,HA的C/N和O/C原子数平均比值明显小于FA;13C NMR谱图表明两组水稻土土壤均是脂族性的,各土层HA与FA芳香度表现为A>P>W>C层。研究结果表明埋藏古水稻土HA与FA的缩合度和氧化程度大于现代耕作水稻土,埋藏古水稻土HA与FA比现代耕作水稻土芳香度低,结构更简单。综上所述,本研究解析了自人类耕作文明以来长江中下游平原地区的水稻土长期演化过程中土壤有机碳赋存形态与腐殖质结构特征,既可以丰富水稻土的形成和演化理论,同时又可为土壤有机质的提升与碳固定、有机-矿质复合体的形成与稳定性、土壤有机碳与腐殖质的地球化学循环及转化提供科学依据。
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