吉林西部盐碱地区稻田土壤有机碳矿化特征和动力学模拟研究

论文摘要

在全球碳循环过程中,土壤呼吸是土壤和大气碳通量交换的主要形式。相比无机碳,有机碳的周转速率更快,土壤有机碳（SOC）较小的变化也会引起大气CO2浓度的大幅改变,其地位对于全球碳循环来说至关重要。农田生态系统碳库是全球碳库的重要组成部分,也是其中最活跃的部分。在全球气候多变的情况下,一些极端的天气变化或自然灾害（如暴雨、干旱、洪水等）会加剧盐碱地的形成和面积增大。我国是受土壤盐碱化危害最为严重的国家之一,土壤盐碱化不仅对农作物生长发育产生影响,还会导致土壤的物理性质恶化,地下水矿化度上升,大面积土地荒芜,农田减少。矿化过程分析是研究SOC特征的有效方法之一,SOC矿化是向大气输入CO2的重要过程,它与土壤有机质和CO2通量的变化有关,也与土壤质量和大气温室效应密切相关。SOC矿化也是微生物利用和降解土壤有机质的生物化学过程之一,其机制受SOC的化学组成、土壤温度、湿度和质地等多种因素的影响。深入研究盐碱化稻田土壤在碳循环过程中的呼吸作用对全球碳循环机制研究具有实践性参考价值。本文研究依托国家自然科学基金项目“吉林西部盐碱土区土壤有机碳和无机碳转移通量和转化机制研究”,以吉林省西部盐碱农田生态系统为研究对象,选择具有典型盐碱性特征的前郭灌区土壤为研究对象。研究区位于中国东北地区吉林省的西北部,地处松嫩平原腹地,曾有大量的盐碱地转化为稻田。研究选取不同盐碱程度的4块水田（P1、P2、P3和P4）,采用野外实地调研采样与室内模拟实验相结合的方法,分别在培养期的第1、4、7、10、14、21、28、35和70天,测定土壤CO2气体的排放通量,结合土壤基本理化性质,分析盐碱稻田矿化模拟培养过程中CO2通量的动态变化,研究土壤盐碱化程度对有机碳矿化过程的影响。研究结果表明:不同盐碱化程度的样本之间有机碳含量差异显著,表现为显著负相关关系（r=-0.945）,表层与深层土壤的SOC含量差异显著（P<0.05）,表现出一定的表层富集现象,盐碱程度、土层深度、土壤类型在不同程度上影响着SOC的含量。碱化度（ESP）对深层SOC含量的影响显著高于表层土壤,不同样地、不同深度样本之间SOC含量的差异主要取决于它们之间ESP的差异,碱化度越高,样本的SOC含量就越低。为期70天的SOC矿化动态室内恒温（25±0.5℃）模拟实验表明,培养前7天SOC矿化速率呈快速下降趋势,从7天到第35天,下降趋势变慢,矿化速率基本保持不变,SOC矿化速率在第35天后逐渐下降至最低点;土壤有机碳累积矿化量（CO2-C）随时间呈指数增加,各样本的CO2-C积累趋势大致相同。CO2-C随培养时间延长而不断增加,前期强度较大,累积速度较快且大致保持相同的速率,在第35天时,CO2-C占整个培养阶段的81.97%83.83%,到培养期快结束时,CO2的累积趋于平缓并逐渐接近累积终点。通常,在矿化的初始阶段,各样地土壤的CO2释放量较大并且释放强度降低较快,矿化速率随时间延长呈缓慢平稳下降,在培养期结束时降至最低。一级动力学模型可以有效表征SOC矿化过程中CO2累积情况（R2>0.98）。结合土壤基本理化性质与动力学模拟结果,利用SPSS软件与Origin软件对实验结果进行方差分析、相关性分析以及多重比较等,结果表明:SOC矿化过程受多种因素的影响,ESP是该过程的主要影响因素,土壤的盐碱化抑制了土壤碳循环的速度,随着盐碱化程度的加深,土壤有机碳可矿化潜力值（C0）随之降低。根据Pearson相关分析结果可知,C0与SOC呈显著正相关,与ESP呈高度负相关,而C0与SOC变化趋势基本一致,间接表明土壤的盐碱化程度通过影响SOC进而对土壤有机碳矿化潜力产生影响;有机碳周转速率常数k与ESP高度正相关,与EC和C0/SOC中度正相关,与SOC、pH中度负相关,这表明盐碱化程度是有机碳库的周转速率的主要影响因素,其次是C0/SOC。而根据rC0/SOC（0.975）>rCO（0.895）,可以判断,土壤的盐碱化相对于碳源过程而言,对碳汇的影响是更大的。总的来说,伴随SOC含量增加,SOC矿化反应强度和矿化反应的完全程度加强,矿化反应累积量增加,反之,随ESP程度增加而减弱。本文研究结果可为吉林西部地区盐碱胁迫下的水田碳汇/源特征及碳循环机制提供一部分数据支撑和理论基础,也为全球碳循环研究提供了区域小尺度的基础实例。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究意义
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 土壤有机碳及土壤有机碳矿化
•     1.3.2 土壤有机碳矿化影响因素
•     1.3.3 土壤有机碳矿化的研究方法
•   1.4 研究内容及技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线
•   1.5 创新点
• 第二章 研究区概况
•   2.1 自然环境概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 气候条件
•     2.1.3 地形地貌
•     2.1.4 水文条件
•     2.1.5 土地类型
•     2.1.6 土壤盐碱化现状
•     2.1.7 水稻生长和管理制度
•   2.2 社会经济概况
•     2.2.1 人口现状
•     2.2.2 国民经济
• 第三章 材料与方法
•   3.1 采样点设置及样品采集
•   3.2 研究方法
•     3.2.1 样品分析方法
•     3.2.2 有机碳矿化室内培养
•   3.3 数据处理
• 第四章 盐碱水田土壤理化性质与碱化度含量分布
•   4.1 盐碱水田土壤基本理化性质
•   4.2 盐碱水田土壤碱化度分布特征
•   4.3 本章小结
• 第五章 盐碱水田土壤有机碳含量分布
•   5.1 盐碱水田土壤有机碳含量特征
•     5.1.1 不同土壤深度土壤有机碳含量分布特征
•     5.1.2 不同盐碱化程度样地土壤有机碳含量分布特征
•   5.2 土壤深度和土壤盐碱化对有机碳的影响
•   5.3 本章小结
• 第六章 盐碱水田土壤有机碳矿化的动态变化研究
•   6.1 土壤有机碳矿化速率特征
•     6.1.1 水田土壤有机碳矿化速率
•     6.1.2 不同盐碱化程度和深度土壤有机碳矿化速率
•   6.2 盐碱水田有机碳矿化累积量特征
•     6.2.1 土壤有机碳矿化累积量
•     6.2.2 不同盐碱化程度及不同土壤深度的SOC累积矿化量特征
•   6.3 不同盐碱化程度及不同土壤深度对SOC矿化过程的影响
•   6.4 本章小结
• 第七章 盐碱水田土壤有机碳矿化的动力学模拟
•   7.1 有机碳矿化动力学方程
•   7.2 土壤有机碳可矿化潜力
•   7.3 土壤固碳能力
•   7.4 盐碱化土壤的一级动力学模拟评价
•   7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
•   8.1 结论
•   8.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘禹晴

导师: 汤洁

关键词: 吉林西部,盐碱化,动力学模拟,土壤有机碳矿化,通量

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,环境科学与资源利用

单位: 吉林大学

基金: 国家自然科学基金项目“吉林西部盐碱土区土壤有机碳和无机碳转移通量和转化机制研究”

分类号: X144

总页数: 72

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