水力侵蚀对红壤丘陵区土壤有机碳分子组成及稳定性的影响

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土壤侵蚀是世界范围内分布最广的土地退化形式之一,其不仅会破坏土壤结构,改变微生物的生存环境,而且还会造成土壤有机养分的原位流失、干扰土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)的自然循环过程。土壤碳库的储量是大气碳库的3倍,因此其细微的变化就可能引起大气中CO2浓度的大幅波动,进而影响全球的气候特征。目前虽已有研究表明,土壤侵蚀会造成SOC库的动态变化,但是关于土壤侵蚀作用影响SOC的具体机制并不明确。基于此,本研究以南方红壤丘陵区为研究区域,以第四纪红黏土为研究对象,运用光谱学技术、13C核磁共振技术及室内矿化培养方法等,研究了侵蚀-沉积作用下SOC分子组成和稳定性的空间分异特征,并进一步探讨了SOC分子组成与其稳定性之间的关系。主要研究结果如下:(1)长期水力侵蚀作用下,沉积区表土OC中的分子活性显著高于侵蚀区。13C核磁共振波谱分析结果显示侵蚀区SOC与沉积区SOC的分子基团均以烷氧碳(70%左右)为主,但是由于沉积区表土OC的密度显著高于侵蚀区(P<0.05),故沉积表土中含有更多烷氧碳。再者,相较于侵蚀表土,沉积表土中溶解性有机质(Dissolved organic matter,DOM)的浓度更高(P<0.05),并且DOM的疏水性、芳香性及分子量更小(P<0.05)。此外,侵蚀区表土DOM中的类腐殖质含量显著高于沉积区(P<0.05),并且相应的腐质化程度也是侵蚀区高于沉积区。(2)侵蚀原位区表土OC的稳定性显著高于沉积区(P<0.05)。矿化培养结果显示从表土0-5cm到底土120-150cm,侵蚀区和沉积区SOC累积矿化量的降幅高达60%和86%,这说明深层SOC的稳定性普遍高于表土。再者,沉积区和侵蚀区表土OC的累积矿化量分别为1909.6 mg CO2-C kg-11 soil和624.80 mg CO2-C kg-1soil,前者约为后者的3倍,这表明水力侵蚀作用下沉积区SOC的稳定性要显著低于侵蚀区。随着土层深度的增加,侵蚀区和沉积区SOC稳定性的差异逐渐减小,当土层深度达120-150cm时,两地之间SOC的累积矿化量差值仅为18 mg CO2-C kg-1soil,该结果说明水力侵蚀对深层SOC稳定性的影响并不大。(3)水力侵蚀作用下,SOC稳定性与烷氧碳和DOM的含量呈显著负相关关系,而与有机质的芳香性、疏水性、分子量及类腐殖质成分的含量呈显著正相关关系。侵蚀区和沉积区SOC累积矿化量与烷氧碳的相关系数高达为0.98和0.99,这说明烷氧碳分子基团的数量在一定程度上决定了SOC的稳定性状况。再者侵蚀区和沉积区SOC累积矿化量与DOM含量的相关指数R2分别为0.92和0.99,与DOM的芳香性、疏水性、分子量及类腐殖质成分的含量的相关指数的变化范围为0.740.98,该分析结果表明水力侵蚀作用诱导DOM的含量和分子属性在空间上发生分异的过程,极有可能就是造成侵蚀区和沉积区SOC稳定性差异形成的根本原因。综上所述,水力侵蚀作用对表层SOC分子的组成和稳定性有显著影响,水力侵蚀作用下SOC分子组成的变化是造成侵蚀区和沉积区碳稳定性分异的关键要素。
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