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水分状况是影响土壤有机碳矿化的重要因素。本文采集江苏省常熟市市域范围内的代表性水稻土样品,通过室内模拟试验,比较分析了不同水分状况下水稻土有机碳矿化的差异及形成原因;观测了水田与旱地两种不同利用方式下土壤有机碳矿化量变化;选择不同有机碳含量梯度的土壤样品,分析了在好气与淹水处理下水稻土有机碳的矿化过程动态:通过筛分不同粒级团聚体以及经过冻融交替处理后布置培育试验,研究不同水分状况下土壤各粒级团聚体中有机碳矿化特征及冻融交替对水稻土有机碳矿化的影响。结果将有助于正确了解太湖地区水稻土有机碳转化和循环过程机制,并可为区域土壤质量的科学管理提供依据。
江苏省常熟市市域范围内代表性水稻土样品的分析结果表明:不同水分状况下水稻土有机碳矿化的过程动态有显著差异。好气条件下,水稻土有机碳矿化速率随培养时间呈下降趋势,至培养第10天后基本趋于稳定。而在淹水条件下,水稻土有机碳矿化速率则呈升高趋势,大约也在培养第10天后达到稳定。两种处理条件下,有机碳矿化速率的差异值不断减小,与培育时间符合幂函数Y=29.81*X-0.998(R2=0.977,n=6)。培养的开始阶段,淹水处理土壤有机碳矿化速率仅为好气处理的11.98%,但是在培养的第2天该值就增加到51.70%,并且在培养的前10天不断升高。有机碳矿化速率受土壤中微生物生物量以及水溶性有机碳含量的影响。研究区域不同土属水稻土微生物生物量碳含量为294.05~1287.36mg kg-1,占有机碳为2.02%~6.20%,平均为656.54 mg kg-1;微生物生物量氮含量为18.54~81.78mg kg-1,占土壤全氮为:0.9%~4.37%,平均为38.31 mg kg-1。土壤水溶性有机碳含量变化范围为:14.03~57.58 mg kg-1,占土壤有机碳的0.82‰~2.87‰;水溶性无机碳含量变化范围为:0.24~22.48 mg kg-1,占土壤有机碳含量的0.041‰~0.56‰。相关分析结果表明,好气处理下,土壤有机碳日均矿化量与水溶性有机碳,微生物生物量以及土壤有机碳之间都达到了极显著关系(p<0.01);而在淹水处理下,只与土壤有机碳以及全氮之间达到了极显著正相关。
水田旱地利用方式下土壤有机碳矿化量有明显差异,整个培养过程中,土壤有机碳日均矿化量水田利用下比旱地利用平均高18%,但这种差异主要表现在培养的前期。水田旱地利用方式也会影响土壤生物学指标,旱地利用土壤相比水田利用土壤,微生物生物量碳下降43%,呼吸熵升高28.8%,微生物商下降43%,造成了土壤质量的下降。
不同有机碳含量梯度水稻土样品的分析测定结果表明:随着水土比的增大,土壤中水溶性有机碳含量均呈明显的上升趋势,且在短期提取条件下,原土DOC含量越高,则随着水分增加而溶出进入溶液的土壤有机碳量将越大;在较长时间的培养条件下,有机碳的溶出有充足的时间,则土壤DOC含量也决定于原土有机碳总量的高低。不同水分状况也影响土壤有机碳矿化速率,整个培养期内好气处理的土壤有机碳日均矿化量一般都显著高于淹水处理(P<0.05)。但好气淹水处理之间土壤有机碳日均矿化量的差值则随培养时间呈下降趋势。供试的一个样品在培养一定时间后,淹水条件下土壤有机碳矿化速率高于好气处理,可能是该土壤在淹水培养后,土壤微生物数量与活性没有受到明显抑制、但水溶性有机碳相对含量却显著升高的缘故。
水分状况对水稻土各粒级团聚体有机碳矿化的影响有明显差异。结果表明:土壤团聚体中有机碳、全氮以及微生物生物量碳、氮含量从高到低顺序为:1~2mm、>2mm、0.25~1mm、0.053~0.25mm、<0.053mm。不同粒级土壤团聚体有机碳日均矿化量都随着培养时间的延长而下降,符合对数方程,至培养第6天,有机碳矿化速率分别下降到开始时的48%~62%(好气处理)和54%~79%(淹水处理)。但不同粒级团聚体有机碳日均矿化量之间略有差异。
冻融交替影响土壤水分的有效性及土壤团聚体稳定性,进而影响土壤中微生物的活性及土壤有机碳的矿化。通过室内培养实验,研究了不同冻融交替循环处理下土壤水溶性有机碳、微生物生物量及土壤有机碳矿化的变化规律。结果表明,1到3次冻融交替处理会增加土壤中水溶性有机碳的含量,其中经过1次冻融交替处理的2种土壤其水溶性有机碳含量分别增加了25%,20%;但如果继续增加冻融交替次数则会使土壤水溶性有机碳含量减少。冻融交替处理降低土壤微生物生物量,因此也会影响土壤有机碳的矿化。冻融交替处理对培养第1天的土壤有机碳矿化具有激发效应,激发能力:1次冻融交替>3次冻融交替>6次冻融交替,经过1次冻融交替处理后的土壤其呼吸速率与对照相比增加了17%~40%:其后,冻融交替处理土壤呼吸速率迅速下降,在培育后期甚至低于对照处理。