土壤团聚体周转过程中碳、氮稳定同位素分馏特征研究

Isotopic methods have been widely used in the study of carbon (C) cycling in soil-plant systems. Soil organic C are associated with soil aggregate fractions, and their transformation also intimately couples with turnover of soil aggregate. However, the fundamental mechanisms are still unclear yet. Latest studies indicate that heavy isotope (13C) in soil organic carbon would retain with the turnover of soil aggregate fractions from macroaggregates to microaggregates, while the light isotope (12C) tend to transfer into CO2 during the decomposition process, resulting the soil organic carbon isotopes “heavier” over time. Thus, we hypothesized that “C isotopes fractionation occur in turnover of soil aggregates”. In this study, the soil aggregate-associated respiration characteristics as well as δ13CO2 were studied. The purpose of this study was to (1) determine soil respiration was affected by aggregates turnover, (2) evaluate the soil CO2 emission and relative contribution of different size fractions. The results will allow a major step forward in the understanding of soil formation with significant implications for our conceptual understanding of the soil C cycles.

土壤团聚体是土壤有机碳(C)的固定场所，但土壤有机C在各级别团聚体迁移与转化机制不清。最新研究发现13C随着时间变化可从大团聚体向微团聚体发生转移，证实土壤有机质分解过程中, 轻同位素(12C)倾向进入 CO2 气体，从而导致土壤残留有机碳同位素变重。据此我们推测“土壤团聚体周转过程会发生C、N同位素分馏”。基于该假设，本项目拟通过通过测定各粒级土壤团聚体呼吸速率、土壤呼吸δ13CO2值，明确土壤团聚体与土壤呼吸的关系，以及不同粒级土壤团聚体对碳排放的贡献；初步确证土壤团聚体过程C同位素的分馏效应。本项目在土壤团聚体水平探讨土壤呼吸及C同位素分馏，研究结果对真实理解土壤团聚体中有机质周转以及土壤碳排放机理具有重要科学意义。

同位素示踪法是一种定量研究土壤C、N生物地球化学循环的有效方法。土壤团聚体是土壤有机碳(C)、氮(N)固定场所，但土壤C、N在各级别团聚体迁移与转化机制不清。本项目主要完成了三方面的实验：（1）长期不同施肥模式对土壤团聚体组成及有机碳、氮分布的影响；（2）长期不同施肥对土壤团聚体碳、氮同位素组成的影响；（3）检测各粒级土壤团聚体呼吸速率，研究不同土壤团聚体对土壤呼吸动态的影响。研究获得以下主要结论：.长期施肥有利于土壤>0.25 mm大团聚体的形成，特别是增加了1-5 mm细大团聚体含量。各施肥处理均增加了团聚体有机碳、全氮含量，其中有机肥处理增加效果显著。各处理土壤团聚体δ13C丰度值变化范围为-24.82 ~ -20.83 ‰，有机肥处理各粒级团聚体δ13C值均高于不施肥和施化肥处理。各处理土壤团聚体δ15N的变化范围为10.89 ~ 18.26 ‰，不施肥处理各粒级团聚体δ15N值较高，其次为施化肥处理，而有机肥处理各粒级团聚体δ15N值最低。对不同团聚体之间，各处理均表现为，微团聚体δ13C和δ15N 值均大于大团聚体。相关性分析表明，土壤δ13C值与SOC呈显著正相关关系，而土壤δ15N值与TN含量呈显著的负相关关系，土壤δ13C与δ15N值也呈显著的负相关关系。.通过土盆培养试验研究了不同粒级黄棕壤团聚体呼吸特征及其对碳排放的贡献，结果表明：在整个培养期间，各粒级土壤团聚体及原状土在培养初期土壤呼吸速率较高，之后逐渐降低。原状土保持了最大的土壤呼吸速率；土壤团聚体类型对土壤呼吸速率影响较大，3种粒级团聚体土壤呼吸速率大小表现为（>5 mm）>（<1 mm）≈（1~5 mm），其中以>5 mm团聚体对土壤碳排放的贡献最大。相关性分析表明，指数模型能较好地描述不同粒级团聚体的土壤呼吸对温度变化的响应；Q10值介于2.53~5.11之间且与土壤有机碳、全氮含量的变化规律基本一致，表现为>1mm团聚体有机碳、全氮含量和Q10值较大，>5mm、1~5mm团聚体有机碳、全氮含量和Q10值相对较低，说明土壤团聚体粒级越小，其呼吸速率对温度越敏感。土壤有机碳、氮的数量与土壤结构是影响土壤呼吸温度敏感性的重要因素。