種植年限對苜蓿土壤有機(jī)碳官能團(tuán)的影響

種植年限對苜蓿土壤有機(jī)碳官能團(tuán)的影響

在半干旱黃土山區(qū)，三葉草可以通過種植三葉草來促進(jìn)草業(yè)的發(fā)展，增加農(nóng)民，控制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境。隨著退耕還林工程的實(shí)施，寧夏南部山區(qū)各級政府將三葉草生產(chǎn)作為調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的主要措施。目前，三葉草種植面積為12.2萬平方米（占種植面積的74%）。據(jù)研究，隨著種植時(shí)間的延長，人工草地中有機(jī)碳（si）和全氮含量增加，地表土壤（0.10cm）顯著增加。然而，如果三葉草的生長時(shí)間過長，土壤中的有機(jī)碳含量將持續(xù)降低。此外，與4號草相比，有許多干燥土層。生長時(shí)間小于8年（包括8年）的三葉草輕干層；生長時(shí)間超過8年（包括8年）的中干層；生長時(shí)間超過8年的三葉草已經(jīng)變老，生物量急劇下降。土壤水分的使用強(qiáng)度逐漸降低，但只能恢復(fù)土壤上層的水，而深部的土壤水分仍然難以恢復(fù)。深層土壤的干燥是干燥的。通過培育三葉草，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加水穩(wěn)定性群落的數(shù)量指數(shù)。隨著三葉草植物種類的增加，水穩(wěn)定系數(shù)的團(tuán)粒指數(shù)隨著時(shí)間的推移而增加。然而，目前，關(guān)于收集土壤有機(jī)質(zhì)的分布以及結(jié)構(gòu)特征的影響，特別是土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制的研究不足，不利于了解土壤固碳機(jī)制，以及對土壤碳儲量穩(wěn)定性的評價(jià)。植被恢復(fù)影響土壤有機(jī)碳官能團(tuán)的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化,而SOC官能團(tuán)變化在某種程度上可以揭示在腐殖化與礦化過程中土壤有機(jī)碳組成和性質(zhì)的變化規(guī)律.近年來,有關(guān)黃土區(qū)土壤SOC結(jié)構(gòu)化學(xué)特性研究,如子午嶺人工和天然油松林土壤腐殖質(zhì)的組成、形態(tài)及胡敏酸光學(xué)特征研究,植被恢復(fù)下土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制研究較多,但對該區(qū)域大面積種植苜蓿背景下,土壤有機(jī)碳官能團(tuán)特征的變化鮮見報(bào)道,難以揭示其對土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性的作用和影響.現(xiàn)有的SOC分子結(jié)構(gòu)的研究方法主要有化學(xué)提純腐殖質(zhì)和用紅外、核磁共振或色譜等方法分析其結(jié)構(gòu)特征.化學(xué)提純過程可能破壞SOC分子結(jié)構(gòu),不能真實(shí)地反映SOC結(jié)構(gòu);而同步輻射紅外光譜比普通紅外光譜的亮度高、信噪比高,能較好地反映SOC結(jié)構(gòu)的信息.為此,本文應(yīng)用同步輻射紅外光譜方法,測定寧夏南部地區(qū)不同種植年限紫花苜蓿土壤中SOC官能團(tuán),以期為揭示種植苜蓿地土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制提供依據(jù).1研究領(lǐng)域和方法1.1苜蓿產(chǎn)量與動(dòng)植物性狀的關(guān)系寧夏南部寬谷丘陵區(qū)的固原市原州區(qū)河川鄉(xiāng)上黃村多年連續(xù)種植苜蓿,是黃土丘陵區(qū)進(jìn)行苜蓿研究的典型代表區(qū),位于35°59′—36°03′N,106°26′—106°30′E,海拔1534～1824m.該地區(qū)屬半干旱中溫帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)氣候,年均氣溫7.0℃,年均降雨量472mm,年總輻射量5342.4MJ·m-2,干燥度指數(shù)1.55,無霜期152d.土壤類型為黃綿土.根據(jù)苜蓿產(chǎn)量與植物學(xué)性狀,3、4、6、8年生苜蓿構(gòu)成產(chǎn)量的植物學(xué)性狀突出,具有較高的生產(chǎn)潛力;苜蓿生長超過8年,構(gòu)成生物產(chǎn)量的植物學(xué)性狀衰退;苜蓿生長至18年,草地衰敗嚴(yán)重,構(gòu)成生物產(chǎn)量的植物學(xué)性狀最差.因此,本研究選擇處于苜蓿生長初期的2年生苜蓿,處于生長頂盛期的8年生苜蓿,以及處于衰退期的18年生苜蓿為對象.其中,2和8年生苜蓿生長較旺盛,地面覆蓋度較大;18年生苜蓿地地表裸露現(xiàn)象嚴(yán)重.7月下旬和9月下旬刈割2次,測定年產(chǎn)草量.樣地基本概況如表1所示.1.2土樣及樣品測定以坡耕地為對照,選擇立地條件和地上植被生長狀況相近,連續(xù)種植2年(苜蓿生長初期)、8年(苜蓿生長頂盛期)、18年(苜蓿生長衰敗期)的苜蓿地為采樣地,在每個(gè)典型樣地隨機(jī)挖取3個(gè)剖面,按土層深度0～10cm采集原狀土,用采樣盒收集,避免破壞土壤結(jié)構(gòu).土樣經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后,待測.SOC測定采用改進(jìn)的外加熱重鉻酸鉀氧化法.土壤團(tuán)聚體含量測定:將采樣盒中原狀土自然風(fēng)干,期間用手將大塊沿紋理輕輕地掰成10～12mm小土塊.取100g風(fēng)干土樣,采用沙維諾夫濕篩法篩分土壤團(tuán)聚體.為收集足夠多的各粒徑團(tuán)聚體,每個(gè)樣品重復(fù)4次,篩分粒級分別為:>5mm、2.0～5.0mm、2.0～1.0mm、1.0～0.5mm、0.5～0.25mm和<0.25mm,然后收集不同粒級團(tuán)聚體,稱量.SR-FTIR測定樣品官能團(tuán).SR-FTIR測定樣品:掃描波長區(qū)間為4000～400cm-1,分束片KBr,狹逢7mm,分辨率4cm-1.土壤樣品:KBr為1∶200的比例在瑪瑙研缽中混磨后壓片,上機(jī)測定.測定樣品FTIR吸收圖譜時(shí),各重復(fù)樣吸收圖譜一致性較好.1.3實(shí)際樣品的擬合SR-FTIR吸收圖譜應(yīng)用Originpro7.5軟件進(jìn)行規(guī)一化,選基線(吸收峰谷底的連線),利用高斯函數(shù)擬合實(shí)際樣品SR-FTIR吸收圖譜,對每個(gè)官能團(tuán)特征峰進(jìn)行面積積分,應(yīng)用Excel2003計(jì)算每個(gè)官能團(tuán)吸收峰面積占樣品有機(jī)碳官能團(tuán)吸收峰總面積百分比(%).半定量分析數(shù)據(jù)取重復(fù)樣平均值.2結(jié)果與分析2.1苜蓿對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的影響由表2可以看出,供試的0～10cm土壤中,85%以上土壤是<0.25mm粒級微團(tuán)聚體,大團(tuán)聚體含量較少.種植苜蓿后,降低了<0.25mm粒級土壤團(tuán)聚體含量,提高了>0.25mm粒級團(tuán)聚體含量,尤其是0.25～2mm粒級團(tuán)聚體的增幅較大.說明種植苜蓿后,在一定程度上改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu).2.2苜蓿地與土壤粒級的關(guān)系對土壤有機(jī)碳官能團(tuán)SR-FTIR圖譜(圖1)中的特征峰進(jìn)行指認(rèn)(表3),在坡耕地與2、8、18年生苜蓿地中,<0.25mm微團(tuán)聚體與原土圖譜中官能團(tuán)種類一致,而0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～5和>5mm團(tuán)聚體中官能團(tuán)種類一致,說明各粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳官能團(tuán)種類并不完全一致.2.2.1土壤團(tuán)聚體粒徑和粒徑對土壤理化性質(zhì)的影響坡耕地<0.25mm粒級土壤團(tuán)聚體與原土SOC芳香-C特征峰吸收強(qiáng)度較其他粒徑弱,飽和烷烴CH面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰不明顯,而脂肪-C、醇-C與多糖-C吸收峰強(qiáng)度較其他粒徑土壤團(tuán)聚體強(qiáng)(圖1).0.25～0.5、0.5～1、2～1和2～5mm粒徑土壤團(tuán)聚體SOC飽和烷烴CH面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰(925cm-1)特征峰較明顯,但并未明顯影響全土有機(jī)碳官能團(tuán)的組成.因?yàn)槿罶OC吸收圖譜中并沒有顯示此特征吸收峰,其主要受<0.25mm粒級土壤團(tuán)聚體的影響.坡耕地(表4)變形振動(dòng)脂肪-C相對百分比隨團(tuán)聚體粒徑增大而減少;0.25～0.5mm粒徑土壤團(tuán)聚體中醇-C(24.6%)較其他粒徑少,而芳香-C(10.8%)較其他粒徑團(tuán)聚體多.>5mm粒徑土壤團(tuán)聚體的SOC含量、醇-C(54.0%)、酮-C(3.9%)較其他粒徑團(tuán)聚體多.羧基O-H面外彎曲振動(dòng)吸收峰積分面積相對百分比隨著粒徑增大而增加.這說明大團(tuán)聚體中易氧化官能團(tuán)(脂肪-C、醇-C)較多,微團(tuán)聚體中穩(wěn)定性較強(qiáng)的芳香-C較其他粒徑團(tuán)聚體多.2.2.2微團(tuán)聚體對有機(jī)碳官能團(tuán)穩(wěn)定性的影響2年生苜蓿地不同粒徑團(tuán)聚體土壤中,芳香-C、變形振動(dòng)脂肪-C相對百分比隨著團(tuán)聚體粒徑增大而減少,其他官能團(tuán)在不同粒級土壤團(tuán)聚體中相對百分比并無明顯差異.與坡耕地相比,2年生苜蓿地<0.25mm團(tuán)聚體及原土中芳香-C百分比增加;>5mm團(tuán)聚體土壤中變形振動(dòng)脂肪-C(30.5%)、1～2mm團(tuán)聚體中飽和烷烴相對百分比例(18.0%)、0.25～0.5mm土壤醇-C相對百分比(36.7%)顯著增加.坡耕地與2年生苜蓿地>5mm團(tuán)聚體中SOC醇-C相對百分比較其他粒徑團(tuán)聚體多.2年生苜蓿地<0.25mm團(tuán)聚體土壤中,變形振動(dòng)脂肪-C、酮-C、芳香-C相對百分比均較高(圖1,表4).說明種植苜蓿后,穩(wěn)定性較強(qiáng)的有機(jī)碳官能團(tuán)主要分布在微團(tuán)聚體中;而易氧化的脂肪-C,醇-C,羧基-C多分布在大團(tuán)聚體中.與坡耕地相比,易氧化官能團(tuán)有明顯增加,穩(wěn)定性較強(qiáng)的官能團(tuán)也有所增加.說明在微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體過程中,有機(jī)碳主要固定在大團(tuán)聚體中,且主要固定SOC中易氧化官能團(tuán).與坡耕地相比,不同種植年限的苜蓿地各粒級團(tuán)聚體土壤吸收峰特征相似(表4).SOC紅外吸收圖譜顯示(圖1),有機(jī)碳官能團(tuán)主要組成部分依次為脂肪-C、醇-C吸收峰、飽和烷烴C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)、芳香-C、多糖-C、羧基O-H面外彎曲振動(dòng)、酮-C.因土樣中伸縮振動(dòng)的脂肪-C、酚類化合物胺分枝N-H伸縮振動(dòng)吸收峰極弱,部分<0.25mm、>5mm團(tuán)聚體和原土土壤樣品中C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)飽和烷烴、面外彎曲振動(dòng)羧基O-H也極弱,所以沒有對這些吸收峰進(jìn)行面積積分.2.2.3苜蓿地滲透劑對有機(jī)碳官能團(tuán)的影響隨著團(tuán)聚體粒徑增大,8年生苜蓿地各粒徑團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳中變形振動(dòng)脂肪-C、醇-C相對百分比減少,在<0.25mm團(tuán)聚體土壤中最多;多糖-C在各粒級團(tuán)聚體中分布較均一(表4).而芳香-C相對百分比隨著團(tuán)聚體粒徑增大而增加.與2年生苜蓿地相比,8年生苜蓿地SOC增加,且芳香-C相對百分比也明顯增加.面內(nèi)彎曲振動(dòng)飽和烷烴C-H相對百分比有所下降,說明8年生苜蓿地固定的SOC中,芳香-C增加比例較其他有機(jī)碳官能團(tuán)高,且主要體現(xiàn)在大團(tuán)聚體中,在2～5mm團(tuán)聚體(11.5%)中尤其突出.8年生苜蓿地SOC、易氧化官能團(tuán)與穩(wěn)定性較強(qiáng)的芳香-C均明顯增加,說明連續(xù)種植苜蓿后,土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性明顯提高.2.2.4苜蓿地soc飽和烷烴東南角的變化圖1顯示,隨著種植苜蓿年限增加,變形振動(dòng)脂肪-C與面內(nèi)彎曲振動(dòng)飽和烷烴C-H疊加的吸收峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng).與2、8年生苜蓿地相比,18年生苜蓿地SOC飽和烷烴百分比明顯增加;而變形振動(dòng)脂肪-C百分比隨著粒徑的增大而減少;芳香-C相對百分比減少.<0.25mm團(tuán)聚體土壤中醇-C相對百分比明顯比其他粒徑團(tuán)聚體多,且其相對含量明顯增加(表4).說明隨著種植年限增加,易氧化官能團(tuán)增加幅度更大.3討論3.1苜蓿地/坡耕地團(tuán)聚體中soc含量以坡耕地為對照,種植苜蓿8年時(shí),苜蓿生物量最大,土壤SOC含量明顯增加;到18年,SOC有所降低,可能是種植苜蓿達(dá)一定年限時(shí),造成其土壤干旱,土壤有機(jī)物質(zhì)輸入減少,從而導(dǎo)致SOC下降,但仍比坡耕地高.有研究顯示,苜蓿種植達(dá)15年時(shí),進(jìn)入衰退期,而后又逐漸恢復(fù).坡耕地、2年生苜蓿地0.25～0.5mm,>5mm團(tuán)聚體土壤中SOC含量最多;8年生苜蓿地團(tuán)聚體中SOC含量隨著粒徑增大而增加;18年生苜蓿地各粒徑土壤團(tuán)聚體中SOC含量都明顯增加,以0.25～2mm粒徑土壤團(tuán)聚體SOC含量增加最多.種植苜蓿后,隨著土壤中0.25～2mm粒徑土壤團(tuán)聚體增加,0.25～2mm粒徑土壤團(tuán)聚體SOC也明顯增加,說明種植苜蓿改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),0.25～2mm團(tuán)聚體對SOC有物理保護(hù)作用.寧南丘陵區(qū)坡耕地退耕后,隨著植被的恢復(fù),土壤>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加,土壤入滲性能提高,改善了土壤結(jié)構(gòu).這與在控制試驗(yàn)條件下,苜蓿生長時(shí)間越長,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高的研究結(jié)果一致.3.2苜蓿地土壤有機(jī)碳化合物分布特征隨著種植年限增加,SOC中增加的易氧化官能團(tuán)(脂肪-C,飽和烷烴,醇-C)主要分布在大團(tuán)聚中.土壤有機(jī)碳中飽和烷烴增加比例最多,特別在18年生苜蓿地明顯增加,且主要分布在0.25～2mm粒徑土壤團(tuán)聚體中,可能因?yàn)榉N植苜蓿后土壤物理性質(zhì)得到極大改善,增加>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量,促進(jìn)了易氧化有機(jī)碳的固定.這與Jokic等提出土壤礦物顆粒表層吸附促進(jìn)SOM積累結(jié)果一致;脂肪-C、醇-C隨著團(tuán)聚體粒徑增大百分含量減少,在<0.25mm團(tuán)聚體中相對百分比較大,這與Sch?ning等研究結(jié)果一致.應(yīng)用核磁共振研究不同類型有機(jī)質(zhì)在土壤顆粒中的含量分布,表明粗粘粒(0.2～2μm)比細(xì)粘粒(<0.2μm)含有較多的羧基和氧烷基碳,而含有少量的氨基酸、脂肪酸、單糖和氨基糖.周萍等對黃泥土顆粒有機(jī)碳含量分析也表明,增加的有機(jī)碳主要存在于粗團(tuán)聚體中,且其顆粒有機(jī)碳的粗團(tuán)聚體具有物理保護(hù)作用.隨著種植年限增加,穩(wěn)定性較強(qiáng)的芳香-C相對含量呈增加趨勢,且8年生苜蓿地中芳香-C相對含量較2、18年生苜蓿地多,說明8年生苜蓿地土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng).坡耕地、2年生苜蓿地<0.5mm粒徑土壤團(tuán)聚體中芳香-C分布較多;8年生苜蓿地2～5mm團(tuán)聚體中芳香-C明顯增加;18年生苜蓿地,土壤有機(jī)碳明顯減少,2～5mm團(tuán)聚體中芳香-C也明顯減少,而小粒徑團(tuán)聚體中芳香-C無明顯變化,說明微團(tuán)聚體中的芳香-C比大粒徑團(tuán)聚體中的芳香-C穩(wěn)定.長期施肥對土壤微團(tuán)聚體(<0.25mm)中有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響高于大團(tuán)聚體(>0.25mm).可能是因?yàn)榉枷?C、羧基-C、羰基-C來自木質(zhì)素和纖維素降解,它們吸附在粘粒上.種植苜蓿后,SOC化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制表現(xiàn)為先增加SOC活性較強(qiáng)的脂脂-C、醇-C、飽和烷烴,后增加穩(wěn)定性較強(qiáng)的芳香-C.這與Brandes等研究海底沉積物顆粒有機(jī)碳形成的蛋白質(zhì)、脂肪富集階段,羧基-C富集階段,芳香-C、醌、酮階段相似.苜蓿地SOC官能團(tuán)紅外圖譜特征(圖1)與云霧山自然恢復(fù)草地SOC官能團(tuán)圖譜相似,但1493cm-1出現(xiàn)了飽和烷烴CH面內(nèi)彎曲振動(dòng),925cm-1O-H面外彎曲振動(dòng)的羧基吸收峰,且其伸縮振動(dòng)脂肪-C吸收峰較天然草地弱.另外,芳香-C吸收峰強(qiáng)度較天然草地弱.可能因天然草地比人工草地SOC含量多,所以伸縮振動(dòng)脂肪-C吸收峰較強(qiáng).另一方面,可能因外界水熱條件不同,不同植物凋落物腐殖化過程中形成土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)與SOC官能團(tuán)種類不同,所以出現(xiàn)新的有機(jī)碳官能團(tuán).研究草地和灌叢的表土、高嶺石結(jié)合的有機(jī)物主要為多糖-C,而蒙皂石結(jié)合的有機(jī)物主要為芳香-C,表明土壤外界環(huán)境條件的差異,導(dǎo)致不同粘土礦物吸持或保留的有機(jī)物類型不同.在土壤外界環(huán)