绿洲化过程中土壤剖面有机碳积累的物理化学基础与微生物学机制

Oasis is a unique and important ecological unit in arid area. Different from the negative effects caused by forest and grassland reclamation, the carbon accumulation effects have been found in soil profile after reclamation of desert as oasis. Our previous study reveals that in oasis soil profile, the organic carbon dynamics is related to soil physical, chemical and microbial processes, and the change of soil C / N ratio resulted from reclamation and planting is likely to be the major determinant for the carbon accumulation. In order to explore this process, we plan to conduct a series of investigations in the oases formed in different periods in the northern Tianshan Mountains. We will collect and compare soil samples in pairs from the oases reclaimed for 0-1000 years and adjacent desert, to assess the dynamic processes and interconnections of transport and distribution of soil particle fractions, transport and stoichiometry of carbon, nitrogen and phosphorus, and microbiological characteristics in soil profile (0-2 m). Moreover, based on the fertilization models of nitrogen and phosphorus of varying quality and quantity in the long term experiment started in 1990 from new reclaimed oasis: CK (no fertilizer), NPK, N2P2K, NPKR, and N2P2R2 (“2” for double fertilizer and "R"for straw residue), we will carry out controlled lab experiments on the representative soils (grey desert soil and sandy soil) in arid area, to focus on the mechanism of soil microbiology in regulating the C:N:P stoichiometric effects of soil on carbon accumulation in soil profile. Combined with the above interrelated and complementary experiments, we will estimate the threshold values of carbon, nitrogen and phosphorus and microbiology mechanism for carbon accumulation effects, and then confirm the optimal fertilization model. This study will provide scientific basis for the sustainable utilization of oasis soil.

绿洲是干旱区独特而重要的生态单元。不同于森林与草地开垦显现的负效应，荒漠开垦为绿洲后土壤剖面呈现碳积累效应。我们的前期研究显示：绿洲土壤剖面有机碳动力学与土壤物理、化学及微生物过程相关，土壤碳氮比改变极可能是碳积累的关键。为了探究这一过程，本项目拟依托天山北麓不同时期形成的绿洲，对0至千年的绿洲农田与毗邻荒漠进行成对采样比较，研究土壤剖面（0-2 m）颗粒组分迁移与分布、碳氮磷迁移与其化学计量、微生物学的动态特征及其相互联系；同时，利用新垦绿洲上的长期定位试验（1990至今）中不同质与量的氮磷肥处理（无肥：CK；化肥：NPK与N2P2K；化肥配秸秆：NPKR与N2P2R2），就干旱区典型土壤（灰漠土与风沙土），研究微生物对碳氮磷的转化作用及其与剖面碳积累的关系。结合以上相互关联、互补互证的实验，探讨剖面碳积累效应的碳氮磷阀值与微生物机制，确认最佳施肥模式，为绿洲可持续高效利用提供科学依据。

绿洲是荒漠地区重要的生态单位，为维持区域生态安全发挥着重要的作用。我们的前期研究显示：荒漠开垦为绿洲后土壤剖面呈现碳积累效应,可能与土壤物理、化学因素与微生物过程的共同作用相关。为了探索与验证这一过程，本项目依托天山北麓不同时期形成的绿洲，对0至千年的农田与荒漠进行成对比较，研究土壤剖面（0-2m）颗粒组分迁移与分布、碳氮磷迁移与其化学计量、微生物学的动态特征及其相互联系；同时，利用长期定位试验中不同质与量的氮磷肥处理，研究微生物对碳氮磷的转化作用及其与碳积累的关系，探讨土壤剖面碳积累效应的物理与化学条件与微生物机制。.主要结果如下：.1）.绿洲化过程中的百余年内，农田土壤 “质”未变，但“量”已发生显著改变：表层土壤粘粒含量逐渐下降，而在中层（20-60m）先降低后增加，在深层（20-60m）开垦以来即显著增加；粉粒自开垦以来在整个剖面均有显著增加；但沙粒相对含量则有显著下降。说明绿洲化过程中由于灌溉，土壤的细颗粒向下层土壤运移，尤其中深层该成分具有最大累积。同时，自开垦以来，土壤剖面大团聚体及其联系碳显著增加，这些变化在开垦20年后趋于稳定。.2）.绿洲化过程中，尽管开垦初期土壤剖面有不同程度的SOC损耗，开垦20年后，整个剖面有显著碳积累，50年后达到最高量并保持稳定；土壤氮与磷也有相似变化，土壤碳氮比显著下降；碳磷比变化无明显规律。同时，荒漠开垦后，土壤剖面pH与电导值显著降低。.3）.荒漠开垦后，土壤剖面磷脂脂肪酸（PLFA）总量、细菌及革兰氏阴性菌（G-）PLFA量、微生物生物量及活性显著增加，革兰氏阳性菌（G+）／真菌及放线菌PLFA在开垦期在剖面中缓慢增加或不同程度地降低，开垦10年后三者在剖面上显著增加，20年后达到最高量并保持稳定，绿洲化过程中土壤微生物群落群落结构也发生了显著改变：微生物碳氮比降低，G+ /G+增加。.4）.总体而言，绿洲化进程对于SOC积累与土壤结构的改善具有积极作用，氮肥施用与其所引发的大量作物残茬输入是SOC积累与土壤团聚作用加强最关键的驱动因素。推断在开垦初期受单一作物连续种植的影响、其残茬与常规氮肥不适宜配比关系导致了土壤剖面碳损耗；随着开垦年限的加长，作物轮作频率加大，引发多样化秸秆输入，导致微生物群落稳定转换，最终使得养分贫乏的荒漠土壤全剖面SOC得以积累。