杭州湾南岸水稻土时间序列土壤有机碳稳定机制研究

Paddy soil, as one of stagnic anthrosol formed under special land use, contains high organic carbon content and has great potential for carbon sequestration, therefore attracts much attention, especially in stabilization of paddy soil organic matter (SOM). The paddy chronosequence located on the south bank of Hangzhou Bay with rice planting ages from 25 to 2000 year, developed on the same parent material from essentially the same cropping system, provide precious material for studying soil organic carbon pool evolution under the condition of long-term rice cultivation history. Pilot study showed that organic carbon content in the topsoils of the paddychronosequence gradually increased with increased durations of rice paddy cultivation and when it got an ecological stable capacity, organic carbon content in subsoil would also eventually increase with time. The project will aim to the stabilization mechanism of soil organic carbon in the paddy chronosequence. We will conduct SOM physical and chemical fractionation and short term laboratory incubation of 13C stable isotope pulse-labeling rice straw, then the analytically technical combination of nuclear magnetic resonance spectroscopy and stable isotopes mass spectrometry will be applied to investigate molecular changes in paddy soil organic carbon fraction, distribution and turnover of labeled rice straw in the different organic carbon pools. The research may reveal stabilization mechanism of soil organic carbon in the paddy chronosequence and provide the basis for improving sustainable carbon sequestration potential and developing the technology for increasing soil organic carbon pool.

水稻土作为一种特殊利用方式下形成的水耕人为土，其有机质含量较高，固碳趋势明显，且固碳潜力较大，因而其有机质的稳定性倍受关注。位于杭州湾南岸在相同母质上发育，有着相同轮作制度，植稻年限为25-2000年的水稻土时间序列为研究长期种植水稻条件下土壤有机碳库的演变提供了珍贵材料。前期研究发现该序列耕层土壤有机碳含量随种植年限的延长不断增加，当其达到生态容量的平衡点后，维持稳定，而深层土壤有机碳库随之扩容。而本项目拟对此序列土壤有机碳稳定性机制进行研究，通过开展土壤有机碳物理化学分组，同时进行碳13标记水稻秸秆室内短期培养实验，利用核磁共振波谱、稳定同位素质谱等分析技术，研究水稻土有机碳组分的分子结构变化，水稻秸秆来源有机碳在各有机碳库之间的分配及其周转规律，揭示水稻土时间序列有机碳稳定机理，为提升水稻土持续固碳潜力和发展稻田土壤增碳技术提供理论依据。

本项目主要以分布在杭州湾南岸的两个水稻土序列为研究对象,按照计划开展了通过开展土壤有机碳的物理分组和化学分组研究和现代仪器分析手段来研究长期种植水稻对土壤有机碳数量动态和结构特征的影响,从而揭示水稻土序列中不同组分的有机碳的转化和稳定机制。.研究取得如下成果：.1、研究发现土壤耕作层及亚表层，土壤有机碳含量随着植稻年限的增加而增加，代表活性碳库的颗粒有机碳总量及在总有机碳中的比例下降，稳定性碳封存量增大。说明水稻土壤是一个巨大的碳汇，尤其是从土壤整个剖面分析，即便在经历了长期植稻历史后，水稻土仍具有巨大的固碳潜力。.2、不同植稻年限序列水稻土耕层土壤有机碳δ13C值的分布表现为距离海岸的距离越远，即植稻的年限越长而逐渐递减的变化趋势，与种植水稻后沿海滩涂的生态系统逐渐由茅草、芦苇等C4植物为主演变为以水稻等C3植物为主有关；在剖面层次上，随着土壤深度的增加，土壤有机碳δ13C值增加，与凋落物分解作用和腐殖化作用的同位素分馏有关。.3、杭州湾南岸两个水稻土序列表层土壤胡敏酸、富里酸及不溶性胡敏素有机碳含量均随着植稻年限的增加而增加，其增幅与土壤有机碳的增幅一致，而且土壤胡敏素所含有机碳占土壤总有机碳的比率随着植稻年限的增加而增加，由于这部分有机质主要包括长链烷烃，芳香族官能团等，性质比较稳定，可以推断长期种植水稻有助于土壤固碳，特别是稳定性有机碳组分的增加。.4、水稳性团聚体分组研究表明团聚体各组分中有机碳含量都随着植稻年限的增加而增加，在长期水稻种植过程中，土壤有机碳促进了土壤的团聚作用，加速了微团聚体的粘结和大团聚体形成，大团聚体中土壤有机碳的物理截留是种植历史悠久的水稻土中有机碳的固定机制；稻田施用有机物料在短期内的主要贡献是促进土壤微团聚体的形成及微团聚体中碳的积累，是水稻土固碳的基础；年轻的水稻土与植稻历史悠久的水稻土相比，具有更大的有机碳固定潜力。.5、固体核磁共振13C CPMAS NMR光谱分析揭示了长期种植水稻条件并没有增加土壤有机碳组分中稳定性组分芳香族碳组分的变幅在13%-23%之间， 长期种植水稻并没有增加胡敏素芳香族碳组分的含量。