农田秸秆焚烧对土壤腐殖物质组成、结构及稳定性的影响机制

The stable component with the turnover period of more than a thousand years is the result of decomposition and transformation of soil organic matter, which is still an important carbon sink in global carbon cycle. However, these components mainly exist in the soil humic substances. Studying the composition and structural characteristics of soil humic substances favor us to reveal the stability factors of soil organic matter, and it has important theoretical and practical significance for understanding the nature of soil organic matter, the global carbon cycle and the environmental and chemical behavior of organic carbon. .Agricultural production activities of people have tremendous impacts on the stability of soil organic carbon in farmland, while farmland straw burning behavior exacerbated this effect. In this work, we will take the farmland soil involving straw burning behavior as the research object. Based on the analysis of the composition and the structural features of the soil humic substances that impacted by the straw burning intensity, we explore the effects of the human special agriculture production activities (straw burning) on farmland soil organic carbon stability from the perspective of structural characteristics of humic substances. Meanwhile, we explore the effects of straw burning residue (black carbon) on the composition and structure of soil humic substances, and the study results provide a theoretical basis to explore the farmland soil organic matter stability.

土壤有机质中周转周期达千年以上的稳定性组分是土壤有机质分解、转化的结果，又是全球碳循环中重要的汇，这些组分主要存在于土壤腐殖物质中（占土壤有机质的60%-80%）。研究土壤腐殖物质组成和结构特征，有利于揭示土壤有机质稳定性的因素，对于认识土壤有机质的本质、全球碳循环和有机碳的环境化学行为具有重要的理论与现实意义。. 人们的农业生产活动对农田土壤有机碳的稳定性影响巨大，而农田秸秆焚烧行为加剧了这种影响。本项目，以涉及秸秆焚烧行为的农田土壤为研究对象，在分析焚烧强度对土壤腐殖物质的组成、结构特征的变化的基础上，从腐殖物质的结构特征角度来探讨人类特殊的农业生产活动（秸秆焚烧）对农田土壤有机碳稳定性影响，同时，也探讨秸秆焚烧残余物（黑碳）对土壤腐殖物质组成和结构特征影响，研究结果为探讨农田土壤中有机质的稳定性提供理论依据。

我国农田秸秆焚烧现象存在已久，此过程不但对土壤起到直接加热的作用，同时还向土壤中添加了大量的碳黑。然而，国内外尚无秸秆焚烧对农田土壤环境影响的相关研究，其中国外缺少相关方面的研究主要是因为其秸秆焚烧现象不普遍。本文主要探究田间秸秆焚烧行为对土壤环境尤其是对有机质的组成及结构特征影响。主要研究结果如下:. 通过研究田间残留碳黑及其沥浸物的结构特征，同时通过实验室土培实验了解碳黑对土壤CO2释放的影响，以初步研究田间焚烧残留碳黑对土壤环境的影响。焚烧强度越高，TOC含量越低，但所产生碳黑中碳原子的有序度增加，其中的脂肪性成分逐渐减少而芳香性则逐渐增加。此外，有机组分对田间残留碳黑比表面积的贡献较为显著。水浸提液的pH决定碳黑沥浸物的产生，pH较高时，其沥浸物DOC含量较高。田间残留碳黑将对水环境质量具有较明显的短期效应，沥浸产生的DOC将进入土壤。起初残留灰烬的沥浸物含有更多具有芳香酸和酚羟基官能团，随着沥浸的继续所产生的沥浸物的脂肪性更强。碳化温度对秸秆碳黑的理化性质及光谱特征的影响较大。随着碳化温度的增加，碳黑的产量及其挥发性物质不断降低，而碳含量、灰分含量及比表面积则在不断增加。通过FTIR及XRD分析得出，随着温度的增加，碳黑中脂肪性成分逐渐减少，其结构更趋芳香化，且芳构化程度越来越高。低温(250 ℃以下)制备的碳黑促进土壤呼吸，而较高温度制备的碳黑对土壤呼吸具有一定的抑制作用。从长远角度可以看出碳黑添加于土壤中可起到固碳的作用。. 热处理不仅能改变土壤中DOM含量及组成，还会影响土壤HS的含量和组成及土壤腐殖化程度：SOM含量随热处理温度的升高而显著降低，DOM及组分则随温度升高呈现先增加后减少的趋势，200 ℃时达最大值。中等强度(200 ℃)时HA的E4/E6增大，芳香缩合度降低，芳香性成分含量减少；300 ℃时HA中脂肪族物质减少、芳香性成分相对增加，表明较高温度下未被氧化分解和新生成的HA类物质具有更强的抗热性能；300 ℃时FA含量显著降低使得HA/FA比值增大，表明此时土壤HS的聚合程度增加，而200 ℃下FA中-CH3、-CH2等基团结构的脂肪族物质增多与此时DOM含量显著增加相一致。