秦岭森林土壤热水溶有机碳的分布特征及矿化机理

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热水溶有机碳(HWEOC)是能够反映土壤碳库活性、肥力及团聚作用的综合性指标,明晰HWEOC的来源、分布和矿化对于森林土壤碳库和肥力变化的预测具有十分重要的意义。然而,由于目前对HWEOC分布和矿化的了解非常有限,导致在森林土壤研究中应用HWEOC的理论依据不足。因此,本研究以秦岭森林土壤为研究对象,采用野外试验与室内模拟培养试验相结合,利用热水浸提、物理分组、凋落物去除等手段,结合数理统计方法,开展秦岭森林土壤中HWEOC的来源、分布(在凋落物和不同林分表土层的分布、在表土的不同颗粒有机质中的分布、在土壤剖面的垂直分布)及矿化机理研究。以期为应用HWEOC作为森林土壤碳汇研究和其它方面研究的指标提供理论依据。得到的主要结果如下:(1)HWEOC及其主要成分在云杉(Picea asperata)和红桦(Betula albosinensis)天然林不同器官来源(叶、枝、球果、树皮、苔藓、细根和木质物残体等)的凋落物中的分布特征:HWEOC及其中的酚类碳(Phe-C)和糖类碳(Car-C)浓度在不同来源器官的凋落物之间均有显著(P<0.05)差异;凋落物各组分中,云杉林球果凋落物的HWEOC(36.05 g·kg-1)、Phe-C(10.99 g·kg-1)和Car-C(27.16 g·kg-1)浓度最高;红桦林H层凋落物粗残片的HWEOC(15.07 g·kg-1)、Phe-C(0.94 g·kg-1)和Car-C(1.22g·kg-1)浓度最低;云杉林凋落物HWEOC、Phe-C和Car-C的浓度均高于红桦林相同组分;去除凋落物使两种林分表土层(发生分类的腐殖质层,A层)HWEOC的芳香性增加,Phe-C及Car-C含量降低。凋落物的器官来源对凋落物的HWEOC含量和化学组成有显著影响。(2)HWEOC在不同森林类型和土壤类型林地表土层,及粗(c POM,粒径>0.25mm)、细(f POM,0.053~0.25 mm)颗粒有机质(POM)中的分布特征:森林类型对林地土壤c POM含量和微团聚作用比率(MIR,微团聚体内粘粉粒占土壤粘粉粒的质量比)有极显著(P<0.01)影响,对HWEOC和f POM含量影响不显著,针叶林下土壤的c POM含量(3.68%±2.38%)显著(P<0.05)高于阔叶林(2.45%±1.48%)和针阔混交林(1.95%±0.51%);冷凉湿润雏形土的HWEOC(1.48±0.52 g·kg-1)、c POM(3.76%±1.84%)及f POM(2.86%±0.53%)含量显著高于简育湿润雏形土对应的HWEOC(0.75±0.23 g·kg-1)、c POM(1.63%±0.58%)及f POM(0.91%±0.39%)含量。在云杉、红桦、锐齿栎(Quercus aliena var.acuteserrata)和落叶松(Larix gmelinii)林地表土层中,c POM与f POM的HWEOC浓度分别是整体土壤的9.1~18.7倍和4.8~11.1倍;POM中所含的HWEOC分别占SOC和HWEOC总量的0.39%~2.44%和24.68%~60.57%;c POM与f POM的HWEOC含量及主要化学组成之间差异显著(P<0.05);Car-C和Phe-C分别占c POM中HWEOC的41.1~46.9%和5.5~8.2%,占f POM中HWEOC的35.3~68.01%和2.8~5.1%;因此,糖类是POM中HWEOC的主要化学成分。(3)土壤剖面按发生层发生层分为L+F(凋落物未分解+半分解层)、H层(凋落物完全分解层)、A层(腐殖质层)、B层(淋溶淀积层)和C层(母质层),以此研究了HWEOC在云杉和红桦林土壤剖面的分布特征。两种林分土壤剖面上HWEOC的浓度随深度有明显的降低趋势;冷水可提取有机碳(CWEOC)与HWEOC的比值(CWEOC/HWEOC)从H层向B层呈增加趋势;云杉林和红桦林整体土壤的Car-C/Phe-C比值(糖类碳/酚类碳,6.69±0.55和6.90±1.21)显著高于L+F层的Car-C/Phe-C(4.18±0.17和4.22±0.36);HWEOC中的Phe-C在H层富集,而Car-C在矿质土层相对富集。HWEOC、细根生物量密度及矿质氮(N)在云杉林和红桦林土壤剖面上有相似的分布规律;排除土层和林分的影响后,根系生物量密度、HWEOC含量及矿质N三者之间仍然具有极显著(P<0.01)的正相关关系;根系的增加能够使HWEOC含量增加,提高HWEOC的芳香性,并降低HWEOC/SOC,提高了SOC库的稳定性。(4)采用红桦林表层土的室内培养试验研究了HWEOC及其主要成分的矿化特征及其对温度变化的响应:在5℃和20℃下未发现明显的矿化“初始脉冲”现象,在35℃下“初始脉冲”现象明显;培养试验前14 d,5℃、20℃和35℃处理土壤的HWEOC损失量(36.8、119.9和287.4 mg·kg-1)与SOC的总矿化量(38.0、113.7和271.0 mg·kg-1)无显著差异(基本相等);5℃、20℃和35℃下可矿化的HWEOC分别占总HWEOC的(6.94±1.63)%、(19.22±3.17)%和(24.94±4.56)%;温度升高提升了糖类等物质的矿化速率,升温至35℃使HWEOC的矿化集中(79%)在培养初期(前14 d),加剧了矿化“初始脉冲”的现象。综上,HWEOC是受成林树种、土壤类型和凋落物来源等因素显著影响的土壤活性SOC,在土壤POM中富集;HWEOC中不同的成分具有不同的剖面垂直分布特征和矿化温度敏感性;HWEOC及其主要成分和芳香性可以作为研究SOC矿化温度敏感性和SOC稳定性的有效指标;HWEOC的矿化试验能够解释短期内森林土壤有机碳矿化的温度敏感性,解释温度升高加剧矿化“初始脉冲”现象的机理。
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