泥炭地退化过程中矿物结合态有机碳变化及其对有机碳稳定性的影响研究

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泥炭地作为陆地生态系统的重要碳汇,在环境保护、调节气候、水文调节、工农业等方面具有不可替代的作用。目前,由于伐木、排水、火灾、人工林改建以及气候变暖等原因导致生态系统功能破坏,泥炭地退化日益严峻。泥炭地中的矿物能通过多种机制来吸附有机碳(SOC)形成稳定、不易分解的矿物结合态有机碳(MOC),抑制泥炭降解和减少碳排放,增加泥炭地的碳汇功能。目前泥炭地中矿物结合态有机碳相关研究较少,且其对泥炭地退化的响应及有机碳稳定性的影响相关研究尚未深入研究。本实验选取四川省红原县日干乔湿地保护区的3个典型泥炭地生态系统(S1泥炭沼泽、S2沼泽草甸、S3高寒草甸)为研究对象,采用矿物鉴定、理化测定和室内培养等方法,研究泥炭地退化过程中矿物结合态有机碳变化特征,有机-铁铝配合物(PP)、短程有序铁铝(HH)和晶型铁铝(DH)与有机碳的关系及变化规律,以及泥炭地退化过程中矿物结合态有机碳对有机碳稳定性的影响。主要结果如下:(1)泥炭地退化会导致MOC分解减少,但MOC/SOC先减后增,表明泥炭地退化使碳稳定性先减后增。其中泥炭地退化主要通过影响不同土层间MOC的生产和分解来调控其积累,泥炭地MOC含量在S1随土层加深而显著增加,在S2、S3显著降低,其中泥炭地退化使表层和亚表层MOC先减后增,使深层MOC分解减少。各泥炭地MOC/SOC在S3最高、S1其次、S2最低,表明泥炭地退化至S2阶段会使有机碳稳定下降,继续退化至S3阶段时有机碳稳定性增加,甚至强于S1。各泥炭地MOC中官能团相似,但其相对含量有差异;主要存在醇酚类化合物、脂肪族碳、芳香族碳及多糖和碳水化合物等。退化过程中,表层土壤醇酚类、芳香类碳优先与矿物结合形成MOC,亚表层和底层土壤则是多糖、碳水化合物碳更易形成MOC。(2)铁铝矿物不是泥炭地退化过程中碳积累的决定性因素,但退化会通过增加有机金属配合物含量来促进相关矿物有机碳积累,从而在一定程度上增加有机碳的稳定性。其中泥炭地不同组分Fe+Al含量分布均表现为PP>DH≈HH,且有机-铁铝矿物复合体主要以共沉淀和络合作用为主。随着泥炭地退化,铁铝矿物总量增加,其中PP显著增加、DH和HH减少;除S1外,随土层深度增加,PP、HH、DH矿物均下降。泥炭地中PP-C是主要的有机碳组分,其次为DH-C,最少为HH-C;且随着泥炭地退化,表层PP-C和HH-C显著增加。MOC与SOC之比为23.30-44.25%,表明土壤铁铝矿物复合体在一定程度上促进泥炭地有机碳的累积和稳定,但仍有大量有机碳以其他形式储存在土壤中,特别是S2(铁铝结合有机碳仅为23.30%)。(3)泥炭地退化使MOC抗微生物利用度先减小后增加,从而使泥炭地碳稳定性先减后增。其中退化泥炭地各土层间Na F–Na OH萃取碳比例无明显差异,说明不同退化阶段泥炭地OC和矿物之间的实际相互作用是一致的。随着泥炭地退化,MOC的抗氧化性有略微增强,随土层加深,MOC的抗氧化性有一定增强。随着泥炭地退化,表层MOC微生物利用度均增加,表明泥炭地退化会降低表层SOC稳定性,尤其是S2。S1 MOC生物稳定性随土层加深而降低,S2、S3 MOC生物稳定性随土层加深而增加,表明泥炭地退化会降低表层、增加深层MOC从而调控各土层SOC的稳定性。
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