秸秆还田条件下黑土粘粒矿物类型和质地变化对有机质转化影响机制研究

土壤有机质作为陆地生态系统中最大碳库,其大小取决于外源有机物参与土壤有机质的形成及分解成无机态碳之间的平衡。植物凋落物是土壤有机质的主要来源,持续投入秸秆是增加土壤有机质,维护农田土壤质量、食物安全和气候管理的主要措施。秸秆分解后产物与土壤矿物密切结合形成土壤有机质,但关于矿物类型如何影响土壤有机质形成及其化学组成的认识仍然很缺乏,而且没有相关模型能够根据土壤矿物组成预测其固定有机碳能力;此外,秸秆还田会引起土壤结构改变,加速土壤有机质分解,但是人们对秸秆输入和土壤结构变化的相关贡献尚不清楚。本研究目标是秸秆还田后,矿物类型和土壤结构变化分别对秸秆分解过程,土壤有机质形成过程和土壤有机质分解过程的影响,分析矿物类型影响土壤有机质形成以及土壤结构促进土壤有机质分解的控制机制。为深入理解土壤有机质的调控机制和优化秸秆还田技术提供科学依据。在矿物类型影响秸秆分解和土壤有机质形成实验中,(1)我们首先利用有机无机复合过程反馈调控秸秆分解的原理建立了定量矿物-有机物结合强度的方法,实现了根据土壤粘土矿物类型及其组成预测土壤矿物-有机物结合强度及其固碳能力;(2)发现了矿物结合态有机质中包括秸秆来源的较易降解(O-alkyl))和较难降解(芳香结构)组分,以及真菌和细菌残体;(3)与高岭石和伊利石相比,蛭石固定的碳易降解组分较多,但仅含有真菌残体,反之,高岭石和伊利石固定的碳含有较多的难降解组分和细菌残体;蛭石通过表面固碳,矿物-有机物结合强度较大,而高岭石和伊利石通过孔隙固碳,矿物-有机物结合强度较小;(4)据此我们提出矿物调控土壤有机质形成的两阶段理论:前期矿物有机结合形成阶段,矿物对有机物的固定没有选择性,后期矿物有机结合稳定阶段,矿物类型对秸秆和微生物来源的有机质的固定具有选择性。在区分秸秆和土壤结构变化对秸秆和土壤有机质分解影响的实验中,(1)我们用质地改造的方法提高了秸秆添加处理中土壤>74μm大孔隙比例;(2)明确了非均匀标记秸秆主要标记了易分解的代谢组分,可以用于短期的培养实验,并比较了应用代谢组分丰度计算的激发效应动态;(3)基于同位素标记方法,我们应用端元线性混合模型(EMM)计算了秸秆和土壤结构变化引起的激发效应,发现了质地改造处理,与对照相比,秸秆分解量和激发效应分别增加了175%和170%,首次区分了土壤结构变化和秸秆添加引起的激发效应;(4)我们通过基于CENTURY模型的PRIM模型验证了非均匀标记秸秆在本研究结果中的可靠性。本研究结果表明土壤有机质形成和分解过程不仅受生物因素驱动,而且受矿物类型和土壤结构变化等非生物物理因素反馈控制。现有土壤有机质模型中对这些非生物物理因素均没有加以考虑。未来研究中应加以重视。