典型農(nóng)耕區(qū)褐土水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布及組成

任雅閣，馬玲玲，成杭新，徐殿斗，劉 飛，劉應(yīng)漢，劉志明

（1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京100029；2.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所核技術(shù)應(yīng)用研究中心 核分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100049；3中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理與地球化學(xué)勘查研究所 地球表層碳—汞地球化學(xué)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065000）

土壤團(tuán)聚體是黏粒和有機(jī)質(zhì)相互作用而形成的土壤最基本的物質(zhì)和功能單元［1］。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)團(tuán)聚體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以250μm為界限，分為大團(tuán)聚體（＞250μm）和微團(tuán)聚體（＜250μm）。土壤團(tuán)聚體特別是微團(tuán)聚體，是土壤有機(jī)碳（SOC）分解轉(zhuǎn)化和形成的最主要場(chǎng)所，團(tuán)聚體有機(jī)碳的化學(xué)組成和變化及其物理結(jié)合機(jī)制是土壤固碳的基本問題［2］。以團(tuán)聚體作為對(duì)象來研究有機(jī)碳的分布特征，對(duì)了解土壤的固碳潛力至關(guān)重要?？傮w來講，以往對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)表征基本上以全土作為研究對(duì)象，而對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的研究則主要集中于其含量和活性上的研究，而缺乏將團(tuán)聚體有機(jī)碳分布和有機(jī)碳結(jié)構(gòu)表征結(jié)合起來的較為系統(tǒng)的研究［3］。紅外光譜是一種快速無損分析物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法，已經(jīng)在土壤有機(jī)碳組成和礦物鑒定等方面已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。顧志忙等［4］對(duì)黑龍江地區(qū)黑土、江西地區(qū)紅壤、安徽地區(qū)黃棕壤及河南地區(qū)黃潮土中腐質(zhì)酸進(jìn)行了紅外光譜和核磁共振表征，指出各種土壤中有機(jī)碳的組成特征。李婷等［5］采用同步輻射軟X射線及紅外光譜技術(shù)分析了云霧山退耕草地土壤中有機(jī)碳的官能團(tuán)組成。褐土是在暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候、干旱森林與灌木草原植被下形成的土壤，在我國(guó)主要分布在燕山，太行山，呂梁山與秦嶺等山地，以及關(guān)中，晉南，豫西等盆地。河北省的褐土分布面積最廣，總面積5.08×106hm2，占該省土壤總面積的30.83%。目前，關(guān)于褐土團(tuán)聚體及有機(jī)碳的研究較為缺乏［6］。本研究選取我國(guó)河北省典型農(nóng)耕區(qū)的褐土，對(duì)其中水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機(jī)碳的分布特征進(jìn)行了解析，并借助傅里葉變換光譜（FTIR）技術(shù)對(duì)各級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳官能團(tuán)的組成特征進(jìn)行了表征，以期為進(jìn)一步了解我國(guó)褐土農(nóng)耕區(qū)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇位于河北省藁城和行唐的代表性褐土進(jìn)行研究。采樣區(qū)夏季暖熱多雨，冬季寒冷干旱，屬于典型的暖溫帶氣候區(qū)。研究點(diǎn)布置在10a以上耕作區(qū)，耕地均采用冬小麥和夏玉米輪種的傳統(tǒng)耕種方式，主要管理措施為常規(guī)耕種和田間管理。研究區(qū)概況詳見表1。

表1 研究區(qū)概況

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 樣品采集和水穩(wěn)性團(tuán)聚體分離 每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)采集多個(gè)0—20cm的表層土壤，混合成一個(gè)復(fù)合樣品，原土用樣品盒帶回實(shí)驗(yàn)室后，沿土壤自然結(jié)構(gòu)將其處理成小塊，揀去作物殘根和石礪，將土樣平攤在通風(fēng)透氣處自然風(fēng)干，于－4℃保存待處理。

為了消除大小土壤顆粒不均造成的取樣差異，采用干篩法［7］和濕篩法［8］相結(jié)合將全土樣品 分 為＞2 000μm，2 000～1 000μm，1 000～250μm，250～53μm，53～20μm，＜20μm共6個(gè)水穩(wěn)性團(tuán)聚體顆粒組。

首先取適量風(fēng)干土樣，采樣干篩法在電動(dòng)振篩機(jī)上獲得機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的粒級(jí)質(zhì)量比，然后按此配制全土；將套篩組置于盛滿水的沉降筒中，將配好的全土樣先用去離子水潤(rùn)濕，再移入最上層組篩，在水中浸潤(rùn)5min后，以35次／min的速度上下振動(dòng)3 min，靜置沉降。收集沉降過后的各粒徑的土樣，冷凍干燥，計(jì)算各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例。

1.2.2 有機(jī)碳測(cè)定與紅外表征 土樣全土及各個(gè)粒徑團(tuán)聚體中總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀—硫酸水合熱法［9］。分別稱取1.50mg的水穩(wěn)性團(tuán)聚體樣品，與150mg的光譜純KBr研磨、壓片，進(jìn)行紅外光譜測(cè)定（美國(guó)Nicolet 5PC紅外光譜儀，軟件為Omnic version 7.3）。光譜掃描范圍400～4 000cm－1，掃描次數(shù)100次。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)分析采用Omnic version 7.3進(jìn)行紅外譜圖解析以及吸收峰面積統(tǒng)計(jì)分析，并采用OriginPro 8.0做圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征

土壤團(tuán)聚體的組成是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一。如圖1所示，研究區(qū)耕地土壤隨團(tuán)聚體粒徑減小呈現(xiàn)兩頭低中間高的不規(guī)則 W形分布趨勢(shì)，即＞2 000μm的粗大團(tuán)聚體略多（藁城市：5.17%；行唐縣：13.92%），隨著粒徑的減小，1 000～250μm 的大團(tuán)聚體比例逐漸升高（藁城市：23.3%；行唐縣：38.98%），250～53μm的土壤顆粒組含量仍然維持在較高水平至（藁城市：49.37%；行唐縣：32.93%）；而后53～20μm比例則迅速下降（藁城市：6.25%；行唐縣：3.14%），但＜20μm的粉黏團(tuán)聚體數(shù)量又有所增加（藁城市：12.5%；行唐縣：4.5%）。藁城耕地土壤團(tuán)聚體以微團(tuán)聚體為主，其占68.72%，而行唐耕地土壤團(tuán)聚體以大團(tuán)聚體為主，其占59.43%。水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其含量與土壤的穩(wěn)定性狀況成正相關(guān)［10］。耕種是破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的主要因素，而土壤有機(jī)碳則對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定有著決定性的作用［11］。

圖1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑分布

2.2 研究區(qū)有機(jī)碳的含量及分布

藁城市和行唐縣耕地全土有機(jī)碳含量基本相當(dāng)，分別為12.49和11.20g／kg。華北平原是我國(guó)農(nóng)耕活動(dòng)最早的地區(qū)之一，長(zhǎng)期精耕細(xì)作的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和低水平的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理使褐土的有機(jī)碳含量處于較低的水平。低含碳量地區(qū)其有機(jī)碳損失較慢，容易通過改善農(nóng)田耕作制度提高其土壤有機(jī)碳含量［12］。有研究表明，河北平原于1979—2005年，26a間土壤有機(jī)碳含量增加了41.02%，其中耕地有機(jī)碳密度增加幅度遠(yuǎn)高于其它用地類型［13］。由此可見，研究區(qū)耕地土壤的固碳潛力不容忽視。

不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固定能力不同。盡管屬于同一種土壤類型，藁城市和行唐縣耕地土壤總有機(jī)碳含量相差不大，但是有機(jī)碳含量在各級(jí)團(tuán)聚體中的分布差別較大。如圖2所示，藁城市耕地土壤有機(jī)碳在大團(tuán)聚體中含量分布比較均勻，有機(jī)碳含量最大值出現(xiàn)在2 000～1 000μm（15.21g／kg）隨團(tuán)聚體粒徑減小在53～20μm出現(xiàn)最小值（7.14g／kg），在＜20μm的團(tuán)聚體中含量為12.78g／kg；而行唐耕地土壤有機(jī)碳在各級(jí)大團(tuán)聚體中的變化很大，在2 000～1 000μm團(tuán)聚體中含量最?。?.59g／kg），而在在1 000～250μm顆粒組中含量高達(dá)28.94g／kg，其微團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量都高于藁城相應(yīng)團(tuán)聚體中的含量，在＜20μm的團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量為20.02 g／kg。

圖2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量

通常大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)碳［14］，但是由于大團(tuán)聚體主要依靠多糖、植物根、菌絲等臨時(shí)性和瞬變性膠結(jié)劑將微團(tuán)聚體黏合在一起而形成的，易受人類活動(dòng)、土壤管理的影響而發(fā)生變化，并且大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳以顆粒有機(jī)碳為主，穩(wěn)定性差而容易分解［14］。微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳具有較強(qiáng)的保護(hù)機(jī)制，是長(zhǎng)期固定有機(jī)碳的穩(wěn)定場(chǎng)所［2］，因此，＜20μm的團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量可以作為本研究區(qū)域褐土固碳潛力的穩(wěn)定性指標(biāo)之一。

除了與各級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳的持有量有關(guān)，不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對(duì)全土有機(jī)碳的影響還與各粒徑團(tuán)聚體在全土中的含量有關(guān)。有機(jī)碳分量即各級(jí)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的相對(duì)數(shù)量常被作為評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體保持有機(jī)碳的容量指標(biāo)，用于反映各粒徑團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。

由圖1和圖3可見，有機(jī)碳分量的分布模式與與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成比例類似，表明研究區(qū)域有機(jī)碳在土壤中的分布主要受團(tuán)聚體粒徑分布的制約。整體上看，藁城市和行唐縣耕地土壤優(yōu)勢(shì)粒徑級(jí)別團(tuán)聚體（1 000～250μm和250～53μm）中有機(jī)碳的比例分別為69.53%和82.71%。藁城地區(qū)耕地土壤的有機(jī)碳主要分布在微團(tuán)聚體（＜250μm）中，所占比例為57.17%；而行唐耕縣地土壤的有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體（＞250μm）中，所占比例為62.38%。

2.3 有機(jī)碳官能團(tuán)組成

土壤的紅外光譜可給土壤有機(jī)碳各個(gè)官能團(tuán)振動(dòng)吸收峰的歸屬，從而判斷出有機(jī)碳的主要類型。根據(jù)前人的研究，波長(zhǎng)3 000～2 800cm－1為脂肪C—H伸縮振動(dòng)吸收，而1 630cm－1包括芳環(huán)的骨架振動(dòng)，C＝C吸收，H鍵締合C＝O吸收等相互疊加吸收峰。1 085及1 165cm－1附近的肩吸收分別為多糖碳和醇碳的特征吸收峰［15］。藁城市和行唐縣耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的紅外光譜可知，相同類型土壤不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的紅外光譜具有類似的峰形，只是吸收強(qiáng)度不同，說明不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳和黏土礦物組成一致，只是豐度有差異。

圖3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分量

以藁城市和行唐縣褐土耕地土壤大團(tuán)聚體（＞250μm）和微團(tuán)聚體（＜250μm）與有機(jī)碳官能團(tuán)相對(duì)組成的平均值作圖（圖4）。由圖4可以看出，褐土耕地土壤團(tuán)聚體中的芳香碳相對(duì)百分含量最高；其次是多糖碳；醇碳及脂肪碳含量都較低。藁城市耕地團(tuán)聚體中芳香碳所占的平均百分比例（53.53%）低于行唐縣（71.52%），而藁城市耕地多糖碳的平均百分比例（39.09%）則高于行唐縣（15.55%）。有研究表明［16］，低溫、高降水量的地區(qū)，土壤有機(jī)碳稠環(huán)芳香結(jié)構(gòu)含量低，并且可能含有較多多糖結(jié)構(gòu)?？梢姡瑲夂驐l件的差異可能是導(dǎo)致藁城和行唐土壤有機(jī)碳官能團(tuán)組成差異的主要原因。另外，大團(tuán)聚體中芳香碳平均百分比例（藁城市：49.17%；行唐縣：65.52%）小于微團(tuán)聚體（藁城市：57.89%；行唐縣：77.51%）；而脂肪碳、多糖碳等活性較高的碳的比例則高于微團(tuán)聚體。這與前人［17］的研究結(jié)果相一致。微團(tuán)聚體是由腐殖質(zhì)等穩(wěn)定性較高的有機(jī)質(zhì)所穩(wěn)定，而大團(tuán)聚體則是由微團(tuán)聚體和碳水化合物等年輕有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步形成的［18］。有研究表明，耕種可以改變有機(jī)碳的官能團(tuán)組成，從而影響有機(jī)碳的降解速度［16］。對(duì)土壤有機(jī)碳官能團(tuán)組成的深入研究可為進(jìn)一步了解耕作等人類活動(dòng)對(duì)土壤固碳潛力的影響提供依據(jù)。

圖4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳官能團(tuán)相對(duì)含量

3 結(jié)論

河北省褐土耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨粒徑的減小呈現(xiàn)“兩頭低中間高”的不規(guī)則“W”形分布。藁城和行唐兩地全土有機(jī)碳含量基本相當(dāng)，分別為12.49，11.20g／kg。土壤有機(jī)碳主要受團(tuán)聚體粒徑分布的制約，藁城市和行唐縣的優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚體（1 000～250μm和250～53μm）中有機(jī)碳的比例分別為69.53%和82.71%。藁城市和行唐縣兩地＜20μm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別為12.78和20.02g／kg，可作為研究區(qū)褐土穩(wěn)定性固碳的指標(biāo)。紅外光譜解析表明，研究區(qū)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳以芳香碳和多糖碳為主。氣候條件的差異可能是導(dǎo)致藁城市和行唐縣土壤有機(jī)碳官能團(tuán)組成差異的主要原因。大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳主要由脂肪碳、多糖碳等活性較高的碳組成，而穩(wěn)定的芳香碳則趨向于被保護(hù)在微團(tuán)聚體中。研究區(qū)內(nèi)褐土的固碳潛力值得關(guān)注，團(tuán)聚體有機(jī)碳組成穩(wěn)定性的影響機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理與地球化學(xué)勘查研究所及相關(guān)單位對(duì)樣品采集工作的大力支持和幫助。

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