亚热带水稻土有机碳矿化的阻滞效应与关键机理研究

Our previous study found that paddy soil has a lower soil carbon mineralization rate than upland soil. Thus, it is necessary to investigate whether the restricted carbon mineralization really occur in paddy soils. In the present study, we will conduct a simulate incubation and a field observation to study the dynamics of soil organic carbon (SOC) and fresh organic materials (OM) in subtropical paddy soils using 13C isotope tracing. The allocation of new C derived from OM will also be analyzed in water-stable aggregates and SOC components. In addition, a combination of 13C nuclear magnetic resonance (13C-NMR) and pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry (Pyr-GC/MS) will be used to explore the change in chemical structure of soil organic matter and its components during the decomposition of OM. The purpose is to distinguish the effect, intensity and universality of paddy soil on restricting SOC mineralization, to clarify the decomposition dynamics and stabilization process of OM in soil, and to elucidate the effect of chemical structure of organic matter on restricting carbon mineralization in paddy soils. This project will reveal the key physical and chemical mechanisms of restricted carbon mineralization in subtropical paddy soils, and will enrich the theoretical understanding of the biogeochemistry process of carbon cycle in paddy soils.

前期研究发现，相对于旱作土壤而言，水稻土有机碳矿化速率相对较慢。由此探讨水稻土有机碳矿化是否存在阻滞效应。申请项目拟应用13C同位素标记示踪技术、13C核磁共振（13C-NMR）和热裂解气相质谱（Pry-GC/MS）技术，通过模拟培养和原位观测作为试验手段，研究亚热带典型水稻土原有有机碳以及新鲜有机物料的矿化动力学特征；分析新鲜有机物料分解转化产物在土壤水稳性团聚体与有机质组分中的分配；探讨新鲜有机物料分解转化过程中土壤有机质及其组分化学结构特征的变化，明确亚热带水稻土阻滞有机碳矿化的效应、强度及其普遍性，揭示土壤中新鲜有机物料的分解转化动态与稳定化过程，阐明有机质化学结构组成在阻滞水稻土有机碳矿化中的作用。通过上述系统研究，揭示亚热带水稻土有机碳矿化阻滞效应的关键物理-化学作用机理，丰富水稻土碳循环生物地球化学过程的理论认识。

前期研究发现，相对于旱作土壤，水稻土有机碳矿化速率相对较慢。因此，本项目应用13C同位素自然标记和热裂解气相质谱技术，开展亚热带水稻土有机碳矿化阻滞效应的关键物理-化学作用机理研究。主要获得如下结果：.（1）发现亚热带几种典型水稻土有机碳矿化均存在阻滞效应.在180 d培养期内，45%和105%WHC条件下有机底物在稻田土壤中的矿化率分别为18%-21%和10%-14%，显著低于邻近的旱作土壤（21%-28%和12%-16%）；有机底物对土壤原有有机碳矿化的激发效应也是以稻田土壤（5%-30%和-12%-8%）明显低于旱作土壤（17%-65%和7%-56%）。这表明，所选几种稻田土壤中有机底物和原有有机碳的矿化率均一致地低于邻近的旱作土壤，具有普遍性。.（2）明确水稻土有机碳矿化阻滞效应的关键物理-化学作用机理.与旱作土壤相比，所选几种稻田土壤有机底物的分解产物向颗粒有机碳（POC）、铁铝键合态有机碳（Fe/Al-OC）、腐殖质碳（HMC）和微生物生物量碳（MBC）分配的比例较高，45%WHC条件下稻田土壤分别为15%-21%、17%-24%、14%-15%和6%-7%，而旱作土壤为9%-17%、13%–-18%、12%-13%和2%-4%；105%WHC条件下稻田土壤分别为22%-26%、24%-27%、28%-31%和7%-9%，而旱作土壤为18%-23%、15%-20%、20%-24%和2%-5%。有机底物分解产物向2000-250 μm水稳性粗团聚体分配的比例也以稻田土壤（45%WHC和105%WHC分别10%-13%和13%-17%）高于旱作土壤（45%WHC和105%WHC分别6%-7%和10%），其它粒径中稻田与对应的旱作土壤之间并无显著差异。有机底物添加对稻田土壤木质素和脂肪族化合物含量的促进作用也强于旱作土壤，而木质素和植物源脂肪族化合物的疏水特性使得稻田土壤有机质的分解作用较之旱作土壤有所减缓。.本项目研究揭示了稻田土壤有机底物矿化率低于旱作土壤的现象在不同母质类型土壤中可能普遍存在。这一现象可能与稻田土壤中有机底物分解产物受水稳性团聚体的物理保护、与氧化铁铝的化学键合、向有机碳稳定组分的分配作用较强以及促进有机质疏水性组分的积累有关，从而贡献于稻田土壤较高的有机碳积累。研究结果可以丰富水稻土碳循环生物地球化学过程的理论认识。