土壤物理保护有机碳的饱和行为

Carbon saturation behavior has been confirmed for chemically protected SOC (soil organic carbon, associated with silt and clay particles). However, it is not clear if similar behavior exists for physically protected SOC by soil micro-aggregation. In this program, we hypothesize that the physically protected SOC also shows C saturation behavior, and SOC saturation follow a hierarchy order that chemically protected SOC saturation occurs prior to the physically protected SOC. An incubation (with 13C-labeled wheat straw at high rates) experiment will be conducted on two soils (black soil and paddy soil with high C content) which have shown significant apparent C saturation behavior and was predicted to reach high C saturation degree. We will examine effects of C inputs, and estimated SOC saturation deficits on efficiency of wheat-C stabilization in SOC fractions. The objective is to demonstrate C saturation behavior for physically protected SOC, and to show the difference in C saturation priority sequence between different SOC fractions. The results will be significant for better understanding SOC cycling process and provide scientific basis for soil carbon management.

已有研究证实土壤矿物结合态的化学保护有机碳存在实际饱和行为，而关于微团聚体包裹的物理保护碳的实际饱和行为以及相对前者的饱和优先序，尚不够明确。我们假设物理保护态碳亦存在实际饱和行为，化学保护态碳相对优先达到饱和。本项目拟以近期研究发现保护态碳发生明显表观饱和行为、预判碳饱和程度较高的高碳土壤（黑土、水稻土）和高投入水平的13C标记小麦秸秆为材料，通过长时间室内培养控制试验，研究：碳投入水平对秸秆碳在土壤及各个碳组分中的稳定效率的影响；土壤碳饱和空隙对秸秆碳在土壤及各个碳组分中的稳定效率的影响；秸秆碳在两种保护态碳组分中的稳定效率发生降低变化的先后顺序。旨在证实和明确物理保护碳的实际饱和行为，揭示其相对化学保护碳的饱和优先序，研究结果将有助于深入了解土壤碳循环过程，为土壤碳管理提供科学依据。

土壤碳饱和是当前土壤碳循环的研究热点和前沿。前人通过研究已经证明了土壤矿物化学保护态以及生物化学保护态有机碳存在保护行为，但是对于土壤微团聚体保护态有机碳的饱和行为缺乏试验证据，对于土壤碳饱和的生物学评价及生物学机制认识不足。本项目通过对于高碳土壤（黑土和水稻土）的长期培养试验的研究发现，在高碳投入条件下，随着土壤有机碳饱和空隙的减小，投入碳在土壤矿物保护有机碳组分的稳定效率趋于明显降低，而在土壤微团聚体物理保护有机碳组分的稳定效率在饱和空隙降至20%左右以后开始趋于降低；该结果证明了土壤微团聚体保护态有机碳的饱和行为的存在，并表明矿物保护碳的饱和行为优先于物理保护碳饱和行为。基于田间长期定位试验的研究发现，长期有机肥碳投入增加条件下，土壤微生物群落结构和酶活性能够指示土壤物理保护有机碳的表观饱和行为；长期施氮肥驱动的碳投入增加条件下，土壤有机碳的表观饱和行为主要归因于土壤微生物介导的正激发效应；长期有机绿肥碳投入增加条件下，土壤微生物和高营养级捕食/杂食线虫（OP）增多，而食微线虫（MN）数量没有变化，OP/MN比例显著提高，说明存在食物网的下行效应，这进而可能促进土壤有机碳的分解，这种下行调控可能是土壤表观碳饱和的生物学调控机制之一。我们的研究结果对于深入认识土壤有机碳的实际和表观饱和行为及深入了解其过程机制有着重要的科学意义，对于土壤有机碳的管理调控具有指导意义。