亚热带丘陵区典型农林用地底土有机碳稳定机理研究

Our previous study found that the stock of soil organic carbon (OC) in subsoil layer was markedly reduced after natural forest was converted to orchard and sloping tillage. Thus, it is necessary to investigate the mechanisms of subsoil OC stability under typical agricultural and forestry land-use systems. Here, two deep soils will be selected and sampled vertically to parent material, and the profile of labile OC fractions will be explored. The in situ subsoil heterotrophic respiration rate will be observed using flux gradient method. Effect of environmental factor and carbon input on subsoil OC mineralization will also be studied by laboratory incubation. The aggregate structure will be measured by wet sieve, and the Fe and Al oxides will by determined by ICP after DCB extraction. The composition of clay minerals will be analyzed using XRD, and the chemical sturcture of OC will be measured by 13C-NMR and FTIR technology. The purpose is to clarify the effect of parent material and land use systems on subsoil OC composition, to elucidate the mineralization dynamics of subsoil OC responded to environmental changes and carbon input, and to distinguish the relative importance of minerals and soil OC composition to subsoil OC stability. This project will reveal the key mechnanism that controlled subsoil OC stability under various land use systems, and enrich the knowledge of subsoil C cycles.

前期研究发现，天然林地改为园地和耕地导致深层底土有机碳库损失，由此探讨农林用地底土有机碳库的稳定机理及差异。申请项目拟通过应用13C核磁共振（13C-NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射技术，以野外采样分析、原位观测与室内模拟培养作为试验手段，研究典型农林用地方式下土壤剖面发生层（深至母质层）有机碳及其活性组分的分布特点；分析不同环境因素和有机物输入条件下底土有机碳的矿化动力学特征；对比土壤不同发生层次团聚体结构、粘土矿物、铁铝氧化物和有机质化学结构组成的差异；揭示母质和土地利用方式对底土有机碳组成的影响，阐明底土有机碳对环境和有机物输入的响应特点，明确土壤矿质成分与有机质结构组成对于维持底土有机碳稳定的贡献。通过上述系统研究，揭示亚热带丘陵区典型农林用地底土有机碳稳定的关键作用机理，为深入了解底土碳循环过程提供理论依据。

本项目选取中亚热带丘陵区花岗岩风化物和板、页岩风化物发育红壤，建立典型土地利用方式转换序列（天然林以及其由此转变而来的杉木人工林、果园、坡耕地和水田），野外应用“空间换时间”方法，室内将化学和现代仪器分析相结合，系统分析表土和底土物理、化学、酶和微生物35项土壤指标，揭示了土地利用方式转换后，不同母质发育红壤肥力质量下降规律和评价最小数据集。应用化学和光谱扫描分析（紫外、红外光谱、3—D荧光光谱），揭示了底土活性有机碳（溶解性有机碳、轻组有机碳和颗粒有机碳）数量、季节动态和化学组成特征，阐明了底土活性有机碳组成对土地利用变化的响应规律。室内对比了土壤溶解性有机碳的4种测定方法，建立了不同测定方法的结果转换的经验公式。红外光谱分析表明，中亚热带林地和旱地土壤有机碳水平低，原土的中红外吸收光谱属典型“高岭石型”图谱，其光谱特征主要受土壤矿物质的支配。应用热裂解—气相色谱/质谱（Py-GC/MS）技术，明确红壤有机质以木质素类、脂肪族化合物和含氮化合物为主，表土中富含木质素类和含氮化合物，底土则以脂肪族化合物为主。土地利用方式转变后，土壤有机碳库数量减少，木质素是土壤向大气释放的碳源；相反，土壤含氮化合物大幅升高1~8倍，脂肪族化合物升高约0.3~6倍。土地利用变化促进土壤中大水稳性团聚体向小水稳性团聚体的转化，底土pH升高，养分损失；与表土相比，红壤底土有效态养分含量对土地利用变化的响应更敏感。土地利用方式还导致底土酶活性的变化，脲酶活性降低16%~98%，但蔗糖酶活性受母质类型的显著影响。应用土壤微生物基因测序和磷脂脂肪酸（PLFA）分析技术，揭示底土土壤细菌种类、微生物群落丰富度、多样性和均匀度对土地利用变化的响应规律。项目成果一定程度上明确了亚热带丘陵区典型农林用地底土有机碳库化学组成特征，阐明了底土物理环境、化学物质组成和土壤微生物群落与底土碳库组成的关系，对合理评价区域土地利用方式对土壤碳吸存的影响有重要参考价值。