论文部分内容阅读
土壤有机碳(SOC)是土壤有机质中的重要组成，是土壤养分的重要来源。土壤有机碳并非由单一物质组成，它既包括易氧化、不稳定、易矿化，且其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的土壤碳素；也包括颜色较深、与黏粒矿物紧密结合、由多酚和多醌类物质聚合而成的腐殖物质。因此，土壤中总有机碳含量的变化必然受到其组分的共同作用。同时，土壤碳库的变化与碳的存在形态和生物有效性之间关系密切，这种关系进而影响到土壤碳与地球表层系统间的交换，与温室效应有着密切的联系。
吉林西部是世界三大盐碱土集中分布的主要地区，区域内的前郭灌区是东北四大灌区之一，种稻后盐碱土壤经过熟化形成了独特的碳库组成。目前，关于耕作方式、耕作年限、管理制度等对农田土壤有机碳的影响方面已有不少研究，但对于盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳演变的年际特征研究相对较少，对土壤碳的内循环中活性有机碳组分、腐殖质组分、微生物对有机碳影响的研究也相对薄弱，因此限制了人们对盐碱稻田土壤碳循环的认知。本研究以吉林西部前郭灌区盐碱稻田土壤为例，探讨盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳的演变特征，分析活性有机碳组分、腐殖质组分、微生物对土壤有机碳变化的影响和作用，明确盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳各组分、腐殖质组分与有机碳之间的响应关系，揭示盐碱稻田土壤有机碳分解、转化的微生物作用机制。研究结果表明：
(1)盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳、活性有机碳组分、腐殖质组分的碳含量均呈现伴随种稻年限增加而逐渐增加的趋势。盐碱稻田土壤水溶性有机碳(WSOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROOC)呈伴随土层加深而逐渐增加，而可提取腐殖质(HE)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、胡敏素(HM)碳含量呈伴随土层加深而逐渐减少的趋势。盐碱稻田土壤WSOC、MBC、ROOC、HE、HA、FA、HM的碳含量与土壤SOC含量呈显著相关，在水稻生长季内[ROOC/SOC]的值波动较大，而[MBC/SOC]和[WSOC/SOC]的值波动较小。土壤WSOC、MBC含量在水稻分蘖期最低，抽穗期最高；土壤ROOC、HE、HA、FA碳含量在水稻分蘖期最低，成熟期最高。
(2)碳库指数(CPI)、碳库管理指数(CMI)与SOC含量变化响应明显，呈现随着种稻年限延长逐渐上升，合理种植水稻显著改善了盐碱稻田土壤碳库质量，有助于提高土壤碳汇功能。
(3)盐碱稻田土壤细菌归属于39门97纲203目325科507属538种，其中优势菌门以变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)为主，S5(种稻55年)土壤细菌OTU数较高。随着种稻年限的延长，土壤变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、放线菌门、酸杆菌门等有益微生物丰度下降，种稻影响土壤生态环境的改变是形成土壤细菌群落结构及多样性变化的主要因素。盐碱稻田土壤真细菌归属于8门19纲33目54科62属53种，其中优势菌门以子囊菌门(Ascomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)、担子菌门(Basidiomycota)为主，随着种稻年限的延长，土壤真菌优势菌种明显，这些优势菌对提高土壤抗盐性具有一定的作用。盐碱稻田土壤古菌归属于8门14纲19目21科25属25种，其中优势菌门以广古菌门(Euryarchaeota)、奇古菌门(Thaumarchaeota)、泉古菌门(Crenarchaeota)为主，种稻对盐碱稻田古菌群落及多样性均有一定程度的影响，S5样地广古菌门、奇古菌门的丰度高于其他样地，表明土壤环境变化对古菌丰度具有促进作用。
(4)土壤有机碳、活性有机碳组分、腐殖质组分与真菌、细菌、古菌OTU数呈显著相关。微生物群落结构多样性对SOC、WSOC贡献率呈现古菌＞细菌＞真菌；对ROOC贡献率呈现真菌＞古菌＞细菌；细菌、真菌、古菌对MBC贡献率无明显差异。对HE、HA、FA贡献率呈现古菌＞真菌＞细菌。
(5)通过多元回归、逐步回归、降维因子分析和冗余分析得出，盐碱稻田熟化过程中，活性有机碳组分、腐殖质组分、微生物均可作为一组影响因子影响有机碳含量变化。土壤活性有机碳中ROOC、MBC，腐殖质组分中HE、HM，微生物中古菌对土壤SOC含量变化作用较大。通过碳库管理指标指示土壤碳库稳定性研究发现，盐碱稻田碳库管理指标中L、CMI与古菌、真菌群落丰度关系密切，故土壤古菌和真菌对于盐碱稻田有机碳库的转化和稳定性作用更为明显。
通过以上结果得出如下结论：盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳含量伴随种稻年限延长而逐渐增加，活性有机碳组分与腐殖质组分与有机碳含量的年际变化基本一致，其中ROOC、HM对SOC含量变化的影响作用更为突出。伴随种稻年限延长土壤碳库活度指标呈现下降，碳库管理指数上升，因此，可以说明种稻年限的延长使盐碱稻田土壤碳库稳定性和土壤质量有所提高。盐碱稻田熟化过程中土壤微生物群落组成逐年丰富，土壤盐碱程度降低及淹水状态可能是影响微生物变化的主要原因，土壤古菌、真菌与有机碳和腐殖质响应明显，故在有机碳累积和土壤腐殖质化过程中古菌和真菌起到了主要驱动作用。
吉林西部是世界三大盐碱土集中分布的主要地区，区域内的前郭灌区是东北四大灌区之一，种稻后盐碱土壤经过熟化形成了独特的碳库组成。目前，关于耕作方式、耕作年限、管理制度等对农田土壤有机碳的影响方面已有不少研究，但对于盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳演变的年际特征研究相对较少，对土壤碳的内循环中活性有机碳组分、腐殖质组分、微生物对有机碳影响的研究也相对薄弱，因此限制了人们对盐碱稻田土壤碳循环的认知。本研究以吉林西部前郭灌区盐碱稻田土壤为例，探讨盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳的演变特征，分析活性有机碳组分、腐殖质组分、微生物对土壤有机碳变化的影响和作用，明确盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳各组分、腐殖质组分与有机碳之间的响应关系，揭示盐碱稻田土壤有机碳分解、转化的微生物作用机制。研究结果表明：
(1)盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳、活性有机碳组分、腐殖质组分的碳含量均呈现伴随种稻年限增加而逐渐增加的趋势。盐碱稻田土壤水溶性有机碳(WSOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROOC)呈伴随土层加深而逐渐增加，而可提取腐殖质(HE)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、胡敏素(HM)碳含量呈伴随土层加深而逐渐减少的趋势。盐碱稻田土壤WSOC、MBC、ROOC、HE、HA、FA、HM的碳含量与土壤SOC含量呈显著相关，在水稻生长季内[ROOC/SOC]的值波动较大，而[MBC/SOC]和[WSOC/SOC]的值波动较小。土壤WSOC、MBC含量在水稻分蘖期最低，抽穗期最高；土壤ROOC、HE、HA、FA碳含量在水稻分蘖期最低，成熟期最高。
(2)碳库指数(CPI)、碳库管理指数(CMI)与SOC含量变化响应明显，呈现随着种稻年限延长逐渐上升，合理种植水稻显著改善了盐碱稻田土壤碳库质量，有助于提高土壤碳汇功能。
(3)盐碱稻田土壤细菌归属于39门97纲203目325科507属538种，其中优势菌门以变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)为主，S5(种稻55年)土壤细菌OTU数较高。随着种稻年限的延长，土壤变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、放线菌门、酸杆菌门等有益微生物丰度下降，种稻影响土壤生态环境的改变是形成土壤细菌群落结构及多样性变化的主要因素。盐碱稻田土壤真细菌归属于8门19纲33目54科62属53种，其中优势菌门以子囊菌门(Ascomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)、担子菌门(Basidiomycota)为主，随着种稻年限的延长，土壤真菌优势菌种明显，这些优势菌对提高土壤抗盐性具有一定的作用。盐碱稻田土壤古菌归属于8门14纲19目21科25属25种，其中优势菌门以广古菌门(Euryarchaeota)、奇古菌门(Thaumarchaeota)、泉古菌门(Crenarchaeota)为主，种稻对盐碱稻田古菌群落及多样性均有一定程度的影响，S5样地广古菌门、奇古菌门的丰度高于其他样地，表明土壤环境变化对古菌丰度具有促进作用。
(4)土壤有机碳、活性有机碳组分、腐殖质组分与真菌、细菌、古菌OTU数呈显著相关。微生物群落结构多样性对SOC、WSOC贡献率呈现古菌＞细菌＞真菌；对ROOC贡献率呈现真菌＞古菌＞细菌；细菌、真菌、古菌对MBC贡献率无明显差异。对HE、HA、FA贡献率呈现古菌＞真菌＞细菌。
(5)通过多元回归、逐步回归、降维因子分析和冗余分析得出，盐碱稻田熟化过程中，活性有机碳组分、腐殖质组分、微生物均可作为一组影响因子影响有机碳含量变化。土壤活性有机碳中ROOC、MBC，腐殖质组分中HE、HM，微生物中古菌对土壤SOC含量变化作用较大。通过碳库管理指标指示土壤碳库稳定性研究发现，盐碱稻田碳库管理指标中L、CMI与古菌、真菌群落丰度关系密切，故土壤古菌和真菌对于盐碱稻田有机碳库的转化和稳定性作用更为明显。
通过以上结果得出如下结论：盐碱稻田熟化过程中土壤有机碳含量伴随种稻年限延长而逐渐增加，活性有机碳组分与腐殖质组分与有机碳含量的年际变化基本一致，其中ROOC、HM对SOC含量变化的影响作用更为突出。伴随种稻年限延长土壤碳库活度指标呈现下降，碳库管理指数上升，因此，可以说明种稻年限的延长使盐碱稻田土壤碳库稳定性和土壤质量有所提高。盐碱稻田熟化过程中土壤微生物群落组成逐年丰富，土壤盐碱程度降低及淹水状态可能是影响微生物变化的主要原因，土壤古菌、真菌与有机碳和腐殖质响应明显，故在有机碳累积和土壤腐殖质化过程中古菌和真菌起到了主要驱动作用。