黑土团聚结构形成演变的关键控制过程与机制

Formation and evolution of aggregated soil structure are driven by changes in soil organic matter and the microbial decomposition processes of added organic materials under different land uses and management. The dynamics of aggregated soil structure, fractionation of soil organic matter and microbial community activities are coupled. This study will use soils taken from three long-term experiments under different land uses initiated from a typical black soil and its parent material. By combined uses of quantitative technology to determine isotopes and chemical structure of soil organic carbon, soil porous structure and soil microbial community structure in bulk soil and differently sized aggregates, the objectives of the study are to 1) characterize the aggregated soils structure under different land uses to determine the effects of changes in soil organic carbon fractionation and microbial community structure in controlling amelioration or degradation of aggregated soil structure ; 2) to elucidate the formation, stabilization and destruction of aggregated soil structure in responses to changes in microbial communities and fractions of soil organic matter during the decomposition of added organic material; 3) to explore the effects of initial soil texture and pore structure on the dynamics of soil aggregation and destruction, and; 4) to build up a process-coupled model to predict the dynamics of soil structure based on the experimental data. This knowledge will provide a basis to further study the processes and mechanisms in regulating soil fertility in theory and to establish measures and technology to protect soil structure to accuse soil organic carbon and ameliorate soil fertility in the region of black soil.

土壤有机质长期变化和输入有机物微生物分解过程驱动土壤团聚结构形成演变。本项目利用中科院海伦站典型黑土和黑土母质在不同利用方式和管理措施下的长期定位实验，应用团聚体物理分级方法，结合同位素示踪、土壤有机质化学结构、土壤孔隙结构和微生物群落结构的定量分析技术，以土壤团聚结构形成演变与土壤有机质分异及微生物群落结构变化的相互关系为切入点，研究目的是1）通过历史土样分析和田间监测，揭示土壤团聚结构演变特征，明确土壤有机质组分分异和微生物群落结构变化的控制作用；2）阐明土壤添加有机物后土壤团聚结构形成、稳定和破坏过程以及土壤微生物群落分解活动的控制机制；3）通过模拟实验，揭示初始土壤质地和孔隙结构等非生物控制因素对土壤团聚结构变化过程的调控作用；4）建立耦合模型预测土壤团聚结构变化。理论上为深入研究土壤肥力调控机制和陆地碳循环奠定基础；实践上为保护黑土土壤结构、提高土壤有机质和土壤肥力提供科学依据。

一般认为土壤有机质含量促进土壤团聚体形成，土壤团聚保护土壤有机质，但是对土壤有机质组分与团聚体结构形成的影响及其耦合过程的认识尚不深入。本项目研究内容有：土壤团聚体结构长期演变特征及其驱动因素、外源有机物输入驱动土壤团聚结构变化的生物和非生物调控机制、耦合土壤有机质组分和土壤团聚体周转的预测模型。所取得的创新性成果有1）综合应用核磁共振、13C和12C同位素标记和微生物群落分析方法，国际上首次做到区分土壤有机质分解和形成过程，研究了输入有机物量和微生物调控过程。2）结合长期定位实验和培养实验，揭示了根系生长和秸秆分解过程中土壤有机碳物理组分和化学组分对土壤团聚体及孔隙性质的控制作用。证明土壤粘土矿物类型控制有机无机复合强度，选择性保护易分解和难分解凋落物组分以及真菌和细菌残体；指出了黑土有机质中易分解和难分解的组分分别促进有机无机复合和团聚过程；发现了秸秆分解促进冬季冻融破坏后土壤结构及其入渗功能恢复的影响及全量还田的重要性；发现了土壤有机质和根系生长也能够提高残余孔隙稳定性，抵御土壤收缩过程。3）揭示了不同作物类型和轮作制度下团聚体形成对土壤有机质周转的影响。发现了玉米根际和非根际团聚结构对土壤有机质周转速率的影响；明确了秸秆焚烧和土壤微生物转化是黑土中芳香环结构形成的主要机制；首次区分了秸秆还田及其引起的土壤结构变化对土壤有机质分解产生的激发作用。4）提出了土壤有机质物理保护两阶段新理论，融合了土壤有机质形成两途径和团聚体层次结构理论。据此建立了定量评价矿物固碳强度的方法，实现根据矿物组成预测土壤固碳强度；建立了土壤有机质和团聚体形成耦合模型，首次同时描述凋落际和非凋落际土壤团聚体和有机无机复合体间的转化过程，以及土壤有机质组分转化和激发效应，成功地模拟土壤水分变化下秸秆分解动态驱动的土壤团聚体周转过程。这些模型将会地促进陆地土壤有机质循环模型的改进，实现精确预测土壤类型的响应。5）本项目在国际上首次利用田间实验方法系统地研究了黑土初期成土过程；利用长期定位实验和联网实验研究了秸秆分解过程及其改土效应。研究结果对退化黑土恢复和秸秆还田技术优化具有重要应用价值。获得50G意思数据，已经发表文章16篇，其中SCI论文15篇，其中14篇为土壤学和农学一、二区论文。已投稿SCI论文3篇，待投稿SCI论文4篇。