农田黑土自然恢复过程中有机质积累及其组分与结构变化研究

The decrease of soil organic matter (SOM) is considered to be the main manifestation in the degradation of Mollisols. It is urgent to understand the dynamic of SOM in arable Mollisols under different managements and to ascertain the potential of SOM restoration at present. The higher content of SOM was accumulated from the grassland meadow vegetation gradually. However, our understandings of the impacts of revegetation on the accumulation, fraction and structure of SOM in Mollisols are still very poor. Based on 35-year long-term field experiments of Mollisol, the physical and chemical carbon fractionation methods, 13C-NMR technique will be used to study the changes of SOM content, fractions and chemical structure during the nature restoration of arable Mollisols. The objectives of this study are: 1) to identify the accumulation rate of SOM, 2) to illuminate the contribution of different active fractions in SOM accumulation, and 3) to analyze the chemical structure characteristics of SOM in different revegetation stages. Our findings will provide data and theoretical supports for estimating the SOM recovery potential and sustainable utility of arable Mollisols.

有机质含量下降是黑土退化的最主要表现，深入了解各种管理措施下农田黑土有机质的演变规律，明确黑土有机质的恢复潜力，是急需解决的科学问题。黑土所富含的有机质是在草原化草甸植被覆盖条件下逐渐积累形成的，但针对自然植被恢复这一逆向过程对黑土有机质影响的研究鲜有报道。本项目利用一组35年黑土长期定位试验,采用土壤有机质物理分组和化学分组的方法，以及13C固体核磁共振技术，系统研究农田退化黑土自然恢复过程中土壤有机质数量、组分及其化学结构的演变特征，其科学目标是：1）明确黑土自然植被恢复过程中有机质的积累速率；2）阐明不同活性有机质组分对有机质积累的贡献率；3）分析不同恢复时段土壤有机质的化学结构特征。项目研究成果可为估算农田黑土有机质提升潜力、黑土可持续利用提供数据支持和理论支撑。

有机质（SOM）含量下降是黑土退化的最主要表现，深入了解各种管理措施下农田黑土SOM的演变规律，明确黑土SOM的恢复潜力，是急需解决的科学问题。黑土所富含的SOM是在草原化草甸植被覆盖条件下逐渐积累形成的，但针对自然植被恢复这一逆向过程对黑土SOM影响的研究鲜有报道。本项目以黑土长期定位试验为平台，采用SOM物理分组和化学分组方法，以及13C固体核磁共振技术（13C-NMR），对黑土自然恢复过程中SOM数量、组分及其化学结构的演变特征进行了系统研究。试验包括自然恢复草地、农田和裸地3个处理。在自然植被恢复的17年间，农田黑土表现出较大的固碳潜力，其表层（0-20 cm）土壤有机碳（SOC）含量持续增加，由29.55 g kg-1提高到了37.29g kg-1，提升了26.2%，提升速度为0.46 g kg-1 yr-1；无植被覆盖的裸地表层SOC含量降低了8.0%；农田表层SOC未发生显著变化，但以0.22 g kg-1 yr-1的速度缓慢下降。植被恢复还提升了下层土壤的SOC含量，20-40 cm和40-60 cm土层的SOC含量分别提高了12.1%和8.7%；农田和裸地下层（20-100 cm）SOC含量无显著变化。植被恢复过程中，土壤游离态轻组碳、闭蓄态轻组碳和重组碳含量分别增加了199%、113%和12%，土壤轻组碳的比例由8.2%提升到了18.4%，而重组碳的比例则由91.8%将至81.6%，说明植被恢复使SOM的活性组分提高；此外，植被恢复使土壤大团聚体中的SOC含量不断提高，>2 mm和2~0.25 mm团聚体中的SOC含量分别提高了156%和44%，且大团聚体中SOC的比例逐渐提升。随着植被恢复时间的延长，具有较高活性的溶解性有机碳含量，富里酸含量及其占SOC的比例均逐渐增加，胡敏酸与富里酸比例（HA/FA）则逐渐减小，反映了植被恢复有利于黑土腐殖质组分中富里酸的积累。13C-NMR分析表明，与起始年份相比，植被恢复后SOM的烷基碳、烷基C-O-C、甲氧基碳比例普遍升高，而芳香碳以及芳香碳/(烷氧碳+烷基碳)比值则逐渐减小，导致SOM的腐质化程度和稳定性降低。该项目揭示了植被覆盖对黑土有机质的积累和稳定具有重要影响，其结果可为估算农田黑土有机质提升潜力、黑土可持续利用提供数据和理论支撑。