稻田转为旱地后铁铝氧化物形态变化对土壤有机碳矿化的影响及其机制研究

In recent years, rice paddies have been increasingly converted to upland crop production resulting from economic benefits and shifting diets in Southern China. This kind of land-use change considerably affects the transformation of soil organic carbon (SOC) sequestrated under rice paddy management. In our previous study, we found that rice paddy conversion into upland substantially enhanced SOC mineralization, which could be regulated by soil moisture and Fe/Al-(hydr) oxides. However, the mechanisms of Fe/Al-(hydr) oxide morphology on SOC mineralization remain unclear. The present project, with the combination of field observation and simulated incubation experiment, aims to 1) investigate the key factors regulating SOC mineralization, and quantify the relative contribution of Fe/Al-(hydr) oxides on SOC mineralization after rice paddy conversion into upland; 2) examine the relationship between Fe/Al-(hydr) oxide morphologies and soil organic carbon fractions using 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy and soil aggregate fractionation, in order to clarify the mechanisms of SOC stabilization response to Fe/Al-(hydr) oxide morphological changes; and 3) evaluate the coupling relationship among Fe/Al-(hydr) oxide morphologies, the structure of DOC and SOC mineralization, so as to reveal the response mechanisms of SOC mineralization to Fe/Al-(hydr) oxide morphological changes after the conversion of rice paddy to upland. The results of this study will provide a scientific basis for cropland soil carbon management.

近年来，随着社会经济的发展和人们膳食结构的改变，我国南方地区越来越多的稻田排水落干，改种旱地作物。这种利用方式的变化会对原本在稻田管理模式下形成的土壤有机碳（SOC）的转化过程产生重要影响。申请者前期研究发现，稻田转为旱地显著加速了SOC矿化，除土壤水分的影响外，铁铝氧化物对这一过程也有重要影响，但其作用机制尚无定论。基于此，本项目拟结合田间定位观测和室内模拟实验，研究稻田转为旱地后SOC矿化特征及其主控因素，量化土壤铁铝氧化物对SOC矿化的相对贡献；采用13C核磁共振技术和土壤团聚体分级方法建立铁铝氧化物形态与土壤有机碳组分的关联性，阐明稻田转为旱地后铁铝氧化物形态变化对SOC稳定性的影响机理；采用紫外荧光光谱分析技术探讨铁铝氧化物形态与可溶性有机碳结构特征、SOC矿化特征之间的耦合关系，揭示稻田转为旱地后SOC矿化对铁铝氧化物形态变化的响应机制。研究结果将为农田土壤碳管理提供科学依据。

本项目依托典型红壤区稻田和旱地定位试验，通过田间原位观测和室内模拟控制实验，结合土壤团聚体分级和13C同位素示踪等技术，研究了稻田转为旱地条件下铁氧化物形态对土壤有机碳（SOC）矿化和积累的影响机制。研究结果表明，由稻田转变的旱地SOC年累积矿化量逐年降低，从第1年的6.3 t C ha-1 yr-1下降到第4年的3.4 t C ha-1 yr-1。相对于稻田，旱地SOC年累积矿化量在前3年显著增加了52% - 99%，第4年没有明显差异。这些研究结果表明稻田转为旱地对SOC矿化的促进作用主要集中在转变初始年份。四年观测期间，稻田SOC矿化的温度敏感性（Q10=1.2）显著低于旱地（1.9），说明稻田转为旱地通过增强SOC矿化的温度敏感性促进碳排放。从铁氧化物形态角度分析稻田转为旱地对SOC矿化和积累的影响，主要归结于以下两个方面的原因：一是稻田转为旱地降低了土壤无定型铁（FeO）和络合铁（FeP）含量，从而减少了铁结合态碳对SOC的直接贡献；另一方面，稻田转为旱地引起的土壤FeO和FeP含量降低，使土壤团聚体稳定性降低，促进SOC矿化，导致团聚体SOC含量降低。相对于化肥处理，有机肥配施显著提高了旱地土壤FeO和FeP含量，同时缓解了土壤酸化和养分资源限制，从而降低了由于激发效应引起的SOC矿化损失，提高了微生物对外源碳的利用效率，进而促进了旱地SOC积累。相关研究成果可为优化农田土壤碳管理提供科学依据。