东北黑土区稻田土壤有机碳的动态变化特征及其固定机制

The study on organic carbon accumulation and the mechanism of carbon sequestration in paddy soils is the key research content for soil carbon cycle, and this study will benefit for improving paddy soil fertility and ensuring food security. It is not clear for changing characteristics and mechanisms of organic carbon sequestration for paddy soil turning from dry land during the fast development of paddy soil in northeast region of China. Paddy soil plowed from black soil in northeast region of China was sampled as the tested soil, and the soils from barren land and dry land were sampled as the control soil. The dynamic changes of soil organic carbon, particulate organic carbon, soil aggregate and organic carbon existing in different soil aggregate component will be tested by using physical grouping technology of soil particles and the 13C stable isotope mass technology. The dynamic changes of δ13C of organic carbon existing in different soil aggregate component were also measured. The main components of soil aggregate for sequestrating organic carbon and their stability were analyzed from the aggregate microscale to reveal the dynamic change characteristics and the mechanism of organic carbon sequestration of paddy soil plowed from typical black soil. These results will provide valuable theoretical basis for revealing the evolvement rule of soil organic carbon and the mechanism of organic carbon sequestration. Meanwhile, it will benefit the reasonable utilization of black soil, improvement of soil fertility and sustainable development of black soils in northeast area.

稻田土壤有机碳累积及其固碳机制是土壤碳循环研究的重要内容，对于稻田土壤肥力培育和保证粮食安全具有十分重要的意义。本项目针对近年来我国东北地区稻田发展快，从旱地改为水田后土壤有机碳的演变特征及其固定机制不清楚的科学问题，拟以东北典型黑土开垦种稻后的土壤（以荒地和旱田土壤为对照）为研究对象，采用土壤团聚体及其各组分的物理分组技术（湿筛法）、13C稳定同位素质普技术等方法，研究典型黑土开垦种稻后土壤有机碳和颗粒有机碳、土壤团聚体及其各组分的有机碳和团聚体中各组分有机碳的δ13C值的动态变化特征，分析有机碳固存在土壤团聚体中的主要组分及其稳定性，从团聚体组分的微小尺度揭示典型黑土开垦种稻后土壤有机碳的动态变化特征及其固定机制。研究结果，理论上为丰富稻田土壤有机碳的演变规律及固定机制，实践上为东北地区黑土的合理利用、肥力培育及可持续发展提供理论依据。

稻田土壤有机碳库的演变及稳定性对稻田土壤碳循环及土壤肥力产生直接影响。东北黑土有机碳含量较高，种植水稻是黑土主要的利用方式。因此研究黑土区稻田土壤有机碳累积及其固定机制对于稻田土壤肥力培育具有重要的科学意义。本项目以东北典型黑土开垦种稻（以自然荒地为对象）年限（0、12、35、62和85年）土壤样品和旱地改稻田（大豆土壤为对照）年限（0、3、5、10、17、20和25年）土壤样品为供试材料，采用土壤团聚体及其各组分的物理分离技术（湿筛法）和13C稳定同位素质谱技术，系统研究了土壤有机碳的动态变化特征及其固定机制。. ① 稻田土壤有机碳的动态变化特征. 荒地开垦种稻土壤有机碳含量在12年间显著增加，在12-85年间逐年下降；旱地改稻田土壤有机碳含量在3年间显著下降，在3-25年逐年增加。种稻后土壤颗粒有机碳明显增加，其δ13C低于对照土壤，颗粒有机碳对土地利用方式变化较为敏感。. ② 稻田土壤团聚体有机碳稳定性. 不同开垦年限稻田土壤以大团聚体（>0.25mm）为主，是赋存有机碳的主要粒级，而旱地改稻田土壤以2-0.053mm团聚体为主，是赋存有机碳的主要粒级。稻田土壤不同粒级团聚体有机碳的δ13C随团聚体粒级的减少而增大，各粒级团聚体有机碳的δ13C随种稻年限延长而增加；种稻年限越长、团聚体粒径越小，土壤有机碳越为稳定。. ③ 稻田土壤团聚体各组分对有机碳的固定与稳定机制. 荒地开垦种稻后，被大团聚体物理保护的粗颗粒有机碳的逐年降低是导致稻田土壤有机碳逐年下降的关键组分，而被大团聚体内微团聚体和游离微团聚体物理化学保护的矿物结合有机碳的逐年增加是提高土壤有机碳稳定性的重要原因。旱地改稻田后，被大团聚体物理保护的粗、细颗粒有机碳和微团聚体物理化学保护的矿物结合有机碳是导致稻田土壤有机碳逐年增加与稳定的重要原因。土壤团聚体对有机碳的物理保护和物理化学保护是长期种稻土壤有机碳固定与稳定的重要机制。