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可溶性有机碳(dissolved organic carbon,缩写DOC)被认为是陆地生态系统和水生生态系统中重要的、非常活跃的化学组分之一,是养分和环境污染物移动的载体。DOC在土壤生物地球化学过程、微生物的生长代谢以及土壤中污染物的迁移等过程中具有重要作用。但长期以来,研究者对DOC的迁移淋溶特性及其在土壤碳循环过程中的意义和环境效应的研究相对较少。紫色土农田土壤有机质含量普遍偏低,加之水土流失严重,导致土壤DOC偏低,可能影响农田生态系统养分循环过程及其生产力水平,而紫色土坡地农田DOC的迁移还缺乏深入研究。为深入认识紫色土紫色土有机碳循环过程,有必要研究紫色土DOC吸持与释放机制、紫色土坡地DOC的迁移途径与通量,为制定有效的农田土壤有机质管理,提升土壤碳汇功能提供科学依据。
本文依托四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站,研究管理措施对紫色土DOC含量分布的影响、紫色土DOC的吸附解吸特征及其主要因素;通过野外定位观测试验,研究紫色土坡耕地DOC迁移过程,初步明确了紫色土坡地DOC迁移的主要途径、通量及主要影响因素。论文主要研究结果如下:
(1)土地利用方式对紫色土DOC含量有显著的影响。各种利用方式土壤的DOC平均含量顺序为:菜地>果园>水田>林地旱地。土壤DOC含量与有机碳、总氮、铵态氮和粘粒等养分之间呈显著的正相关关系。
(2)不同类型紫色土对DOC的吸附容量有明显差异,酸性紫色土对DOC的吸附容量要强于中性紫色土和石灰性紫色土。DOC的吸附量与粘粒、活性铁铝氧化物呈显著正相关,而与土壤pH值呈显著负相关。土壤对DOC的吸附包括快吸附与慢吸附2个过程,0-0.5h内吸附速率最大,随着时间的推移,吸附速率逐渐减小,4-6h内基本达到吸附平衡。DOC解吸率与土壤粘粒、活性铁铝氧化物呈显著负相关,而与土壤pH值呈显著正相关。对DOC吸附能力强的土壤,其解吸能力会相应较弱。环境因素(温度)与外源因素(硫酸亚铁、磷酸盐)对土壤吸附DOC的容量影响显著。温度对土壤和DOC的吸附容量有明显的影响,随着温度升高(5~35℃),吸附容量呈现降低趋势,土壤解吸量增强。磷酸盐能阻止土壤对DOC的吸附,而亚铁盐能增加土壤对DOC的吸附。去除土壤部分有机质后,土壤对DOC吸附量有所增大。
(3)紫色土区雨季降雨丰富,坡地壤中流发育,壤中流占径流总量的72.4%。紫色土坡地地表径流DOC平均流失负荷为1.33kg/hm2.a,而壤中流DOC平均淋失负荷达7.08 kg/hm2.a。壤中流DOC迁移是紫色土坡地DOC径流损失的主要途径。
(4)紫色土坡地DOC淋失量与降雨量之间存在显著的正相关关系,淋失量随着降雨量的增加而增加。
(5)紫色土坡地DOC淋失量随土层厚度增加而减少。20cm渗漏池DOC年淋失量达到2.56 kg/hm,40cm渗漏池DOC年淋失量为2.27 kg/hm2,60cm渗漏池DOC年淋失量为2.11kg/hm2。
(6)均衡施用化肥基础上配施有机肥或作物秸秆处理,土壤DOC含量增长幅度最大。不同施肥处理土壤DOC在玉米生长季随温度的升高,含量逐渐增加,到作物生长代谢旺盛时期(灌浆期)达到最大值。
与常规施肥相比,施用秸秆和农家肥后,DOC淋失量分别增加了127.71%和77.13%;与单施秸秆和有机肥相比,配施氮磷钾后,各处理DOC淋失量分别降低了32.71%和40.73%,说明在紫色土区进行合理施肥有助于降低坡地DOC的淋失量。