论文总字数：20945字

目 录

前言 5

1材料和方法 6

1.1试验区概况 6

1.2作物和土壤采样 6

1.3有机碳、δ¹³C丰度的分析 7

1.4土壤有机碳周转率的计算 7

1.5统计分析 8

2结果 8

2.1作物残留物输入 8

2.2 团聚体中碳的特性 10

2.2.1团聚体有机碳含量 10

2.2.2土壤团聚体的土壤δ¹³C丰度 11

2.2.3土壤团聚体的有机碳更新率 12

2.2.4土壤团聚体的有机碳周转年 12

2.3耕层土壤的有机碳特性 13

2.3.1耕层土壤的有机碳含量 13

2.3.2耕层土壤的土壤δ¹³C丰度 14

2.3.3耕层土壤的有机碳的更新率 14

2.4土壤剖面的有机碳特性 15

2.4.1土壤剖面的有机碳含量 15

2.4.2土壤剖面的土壤δ¹³C值 15

2.4.3土壤剖面的有机碳更新率 16

2.4.4土壤剖面的碳周转年 17

3讨论 17

3.1作物种类对土壤δ¹³C丰度的影响 17

3.2作物种类对土壤有机碳周转的影响 18

4结论 19

参考文献 20

致谢 24

利用δ¹³C估测作物对黑土有机碳周转的影响

郭亨远

, China

Abstract: Soil organic carbon (SOC) stock varies in soil profiles under different cropping systems, which is possibly due to the difference in SOC turnover rate. This study used a 22-year field experiment to determine the effect of crop species on SOC turnover rate in soil aggregates and profiles of a Mollisol. Soils were sampled from 2-m soil profiles in 1991 and 2012, from the plough layer regularly under continuous monocropping of maize, soybean and wheat. Natural ¹³C abundance was determined to calculate the fraction of newly derived C in SOC in bulk soil and water-stable aggregates of different sizes. The SOC content in the plough layer tended to decrease under wheat and maize but did not change under soybean from 1991 to 2012. The soil δ¹³C abundance in bulk soil and all aggregate sizes increased in 0–1.8 m depth under maize but decreased in 0–0.8 m under soybean and wheat, with the variations being larger in the larger aggregates. The SOC turnover at 0– 0.8 m depth was fastest under wheat, followed by soybean and slowest under maize. The SOC turnover was faster in the larger aggregates for all crops, with the variations among the crop species being larger in gt;2 mm aggregates. Crop species affect the δ¹³C abundance and SOC turnover rate consistently in different aggregate sizes in the plough layer and in bulk soil within the rooting zone.

Key words: Soil Organic carbon; Soil aggregates; Soil organic carbon turnover; Stable isotope; Crop species

前言

土壤是陆地上最大的有机碳库^[1]，土壤有机质在控制土壤肥力和农业生产中的重要作用已被公认一个多世纪^[2]。巨大的有机碳库—土壤近年来备受关注，因为它可以是大气中二氧化碳的一个源，以及一个汇^[3]。深层土壤低于地平线1m的土壤剖面碳储量占总土壤有机碳储量的50%-67%，或在2-3m的土壤剖面碳储量占总土壤有机碳储量的68-81%^[4]。此外，深部土壤可以贡献超过三分之一的植物营养盐—氮、磷、钾，尤其是当表层土壤干燥或营养耗尽时^[5]。不过，深层土壤有机碳的性质及动力学研究知之甚少^[6]。天然稳定碳同位素（¹³C）已被广泛用于确定几年的时间尺度上土壤有机碳的动态变化当土地利用和土壤δ¹³C变化信息可用的时候。土壤δ¹³C变化是由于混合土壤有机碳¹³C丰度不同，优先分解的土壤有机碳的¹³C组分不同，或在土壤成熟过程中的碳同位素动力学分馏^{[7, 8]}。许多研究表明土地利用中的δ¹³C丰度和土壤有机碳周转在散土和团聚体中总在变化^[9-12]。然而，这些研究往往比较不超过2种植物类型的影响，很少有实验比较多种不同的植物类型或多种不同土壤剖面的土壤有机碳周转^[13-15]。在不同的气候条件下，排水良好的土壤剖面中δ¹³C丰度随着深度的增加而增加^[16]。这种深度富集模式可以因C₃和C₄植物之间的土地利用而变化，土壤耕作，土壤侵蚀和沉积过程而发生改变。有研究表明从小麦改种玉米50年后¹³C丰富度随着土壤深度下降到1m而下降，而在地表从玉米分馏的C占土壤总有机碳的5%，在1m深时下降到2%^{[17, 18]}。

黑土含大量的有机碳，并已广泛被开垦用来耕地。东北黑土早在150年前就被开垦用来耕作。开垦往往导致黑土表层的有机碳含量的快速下降，通常30%-50%^{[19, 20]}。模拟结果表明，东北是我国唯一的在过去的十年里黑土耕作层土壤有机碳含量降低的地区^[21]。桑福德等研究表明，美国中北部六种植系统下的0.9m深的土壤剖面中土壤有机碳有显著的下降。这种下降归因于从1989年开始就对土壤表层的耕作系统停止施肥的制度和在变暖的趋势下土壤剖面土壤有机碳的氧化使得地下碳输入不充足这两个方面^[22]。毫无疑问，有机碳储量取决于碳输入，但它也取决于土壤有机碳周转率，不同作物之间可能有不同。

从70年代到90年代中国东北地区种植制度是年际的玉米、大豆和小麦轮作体系，从90年代至今改为单作玉米，或与大豆轮作^[23]。这样的土地利用变化使得我们能用天然稳定¹³C同位素量化不同种植系统的土壤有机碳周转。这项研究使用了22年的野外实验来确定作物种类在土壤团聚体和散土剖面中对土壤有机碳周转率的影响。初步推测，通过改变天然稳定¹³C估计土壤有机碳的周转率在不同作物种类的土块和土壤深度的结果是不同的。

1材料和方法

1.1试验区概况

野外试验场地位于中国科学院海伦农业生态实验站(N 47°26′, E 126°38′)。该地区气候湿润，平均年降水量550毫米，年平均温度1.5°C。该土壤来源于粘土黄土状母质材料，根据美国农业部的分类，它被分类为Pachic Haploborolls^[24]。该土壤是1990年作物收割后留下的土壤。它包括Ap1 (0-0.16 m)-Ap2 (0.16-0.25 m)-Ah1(0.25-0.40 m)-Ah2 (0.40-0.71 m)-AB (0.71-1.03 m)-BC (1.03-1.70 m)和C (gt;1.70 m)。从0-0.2,0.2-0.4和0.4-0.6米深的土壤剖面分别取3份土芯来确定土壤容重。同时，扰动土样取自土壤剖面的三个面，在每0.2米层制作一个复合样品并在取出可见根和植物片段后储存在空气干燥的玻璃瓶中。1991年，土壤ph值为6.05，土壤有机碳含量29.8g/kg，氮含量2.2g/kg，磷含量0.74g/kg，钾含量20.8g/kg。土壤质地是类似在2m的土壤剖面，在耕层土壤(0–0.2 m)含424g/kg粘土(lt;0.002 mm)，326g/kg粉土(0.02–0.002 mm)，在C层(1.8–2.0 m)含449g/kg粘土和360g/kg粉土。

此田地从70年代到1989年一直轮作玉米、大豆和小麦并且于1990年在没有施肥的情况下种植小麦，使土壤化学肥力均衡。自1991年以来，该田分为三个地块，每个面积为77平方米，分别用于连作玉米、大豆和小麦作物。玉米和大豆的生长期在5月5日到10月4日，春小麦生长期在4月5日到8月4日。自从1991年开始，农作物品种，种植密度，化学肥料和农作物秸秆管理每年都保持不变。农作物品种是混合海玉6（玉米）、黑农35（大豆）和龙脉28（小麦），均为该地区常见的品种。玉米、大豆和小麦的作物密度分别为6、27和60个种子每平方米。基底施肥率分别为：玉米65.5 kg N ha⁻¹ 和30.1 kg P ha⁻¹、大豆27.0 kg N ha⁻¹ 和30.1 kg P ha⁻¹ 、小麦92.4 kg N ha⁻¹ 和16.9 kg P ha⁻¹。氮磷肥料分别为尿素和磷酸氢二铵，并且在玉米的启动期进行尿素追肥，相当于65.5 kg N ha⁻¹。人工除草，收割后，按当地的耕作方式，把所有作物的生长残留物和玉米的主要根从地块中移除。

1.2作物和土壤采样

自1991年起的每一年都记录粮食产量并对耕层土壤(0–0.2 m)进行采样，从 1991到2010年的采样程序是相同的，但在2012年改变了。从1991到2010，庄稼都是从每个种植区(77 m²)中三个随机选择的3m²的样方收获的，并且土壤样品是从这3个样方中收集的，从而制成植物和土壤样品。每一个处理要3次重复。自2011年起，该地块被分为3个次要地块，在3个3m²的地块中随机抽取农作物并从5个试验点随机选取土样制成混合样品。在每个作物种类的3个次要地块中重复此流程，并且混合样品作为复制。植物样品经过空气干燥并称重。所有的土壤样品经过干燥后取出可见根和植物片段储存在玻璃瓶中。大豆凋落物用三个尼龙网（100mm，100mm，20mm网格大小）放置在离地面0.1米处来收集，收集时间为2012年9月1日到10月4日。收获后，在地面上收集来自所有3种作物的每个次要地块中3个随机地皮（每个面积3m²）上的作物残茬。凋落物与农作物产量的比率用来计算1991到2011每年的农作物残留物的输入。

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