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贵州省位于中国西南喀斯特生态系统中心地带,已出现不同程度的石漠化。喀斯特地质地貌背景决定该区域在天然条件下发生缓慢的石漠化,但是天然条件下石漠化的程度和速度要远远低于人类扰动条件下石漠化的程度和速度,这可能不仅仅是喀斯特石灰土土层薄的原因,由于土地退化是喀斯特石漠化的本质,喀斯特石漠化还可能与石灰土壤本身的性质有一定的关系。前人对石漠化的研究主要集中于地质地貌背景及人类活动对石漠化的影响,但土壤有机质可将土壤颗粒结合成较大的团聚体,形成土壤孔隙结构,并可能通过提高渗透率而保护土壤不被侵蚀,对土壤物理结构的维持有重要作用。 在土壤侵蚀与退化及全球碳循环的过程中,作为土壤重要组成部分和代表一个主要碳库的土壤有机质在生态系统中扮演了一个十分重要的角色,但喀斯特区域土壤有机质在喀斯特石漠化过程中所起的作用的研究严重不足。本研究从土壤有机质及其腐殖质组分性质研究出发,对比贵州省不同土壤剖面有机质及其腐殖质含量及性质差异,探讨土壤有机质剖面演化特征及其土壤有机质在石漠化过程中所起的作用。 采集贵州省喀斯特区域普遍存在的4种土壤(黄壤、石灰土、紫色土和黄棕壤)剖面,研究分两部分进行:1)从土壤中提取胡敏酸(HA)、富里酸(FA)及胡敏素(HM);2)考虑到以往NaOH溶液提取HA过程中提取不充分问题,利用物理和化学技术相结合的方法,从不同类型的3种土壤中提取3种不同保存形式的HA,分别为表面结合HA(HAf)、包裹HA(HAe)和结合HA(HAi),运用一定技术纯化腐殖质组分。纯化后的腐殖质组分进行元素分析、电位滴定、紫外-可见(UV-Vis)扫描光谱、傅里叶变化红外光谱-衰减全反射(FTIR-ATR)、固相交叉极化魔角旋转13C核磁共振(CPMAS13C-NMR)技术进行性质表征。探讨土壤有机质及其腐殖质组分的剖面演化特征,通过对比不同类型土壤有机质及其腐殖质组分的性质,分析土壤有机质在石漠化过程中所起的作用。 通过石灰土与其它土壤有机质及其腐殖质性质对比,结果表明石灰土有机质及其腐殖质组分的性质特征与其它土壤有一定的差异。石灰土HA和FA分子结构中N含量显著高于其它土壤,但HA的N对酰胺结构的贡献可能小于其余土壤,而FA的N对酰胺结构的贡献可能高于其余土壤;石灰土HA结构O含量高,C=O官能团含量也高,但羧基含量低于其它土壤,酯类官能团高于其它土壤;石灰土HA和FA的芳香程度较低,芳香结构中木质素的转化也低于其余土壤,但石灰土HA和FA的分子量显著大于其余土壤HA和FA。石灰土HA的烷基碳含量低于其它土壤,短链烷基对烷基结构的贡献显著高于其余土壤,石灰土HA和FA的碳水化合物含量高于其它土壤。土壤HM性质层位之间的差异要大于土壤类型之间的差异,这可能与土壤HM来源复杂有关。石灰土HM烷基碳含量、C=O官能团含量高于其它土壤,而木质素及芳香碳含量低于其它土壤。这可能与石灰土成土过程有关,成土过程缓慢造成地质历史上较老的干酪根大量富集,因此石灰土 HM可能更多受到母岩中干酪根的影响。 喀斯特区域土壤有机碳、有机氮、C/N比值以及砂含量均呈现沿剖面向下降低的趋势,HA、FA及HM含量也沿剖面向下显著降低,这可能由于土壤下层有机质输入减少导致。黄壤、紫色土和黄棕壤HA/FA比值沿剖面也显著降低,这与HA和FA水溶性差异有关,HA的水溶性显著低于FA,导致FA在剖面上的淋溶较强导致。 土壤有机质性质在剖面上的变化规律很差,这可能是因为土壤不同腐殖质组分性质剖面演化的差异。土壤HA的元素组成沿剖面的变化较为复杂,与不同土壤类型有很大的关系。但土壤HA的疏水性沿剖面向下降低,羧基和酚羟基含量呈现沿剖面向下增加,羧基和酚羟基的酸性也呈现沿剖面向下增加的趋势,这可能表明淋溶对土壤HA的性质沿剖面的变化产生一定的作用,因为带有较高极性以及较高酸性官能团含量的HA分子易溶于水溶液,从而向下淋溶。土壤HA的烷基碳含量沿剖面向下降低,HA结构中各官能团中的羰基、芳香醚以及碳水化合物含量沿剖面向下增加。土壤HA的分子量、烷基链长以及分解程度沿剖面向下呈现明显降低的趋势。 不同类型的土壤FA性质沿剖面的变化极少呈现一致的变化规律。土壤FA的疏水性、酸性官能团含量及酸性官能团的酸性沿剖面没有规律性的变化,说明淋溶对土壤FA性质沿剖面性质变化没有显著的影响,这可能与土壤FA水溶性强,与水溶性有关的FA性质沿剖面的分选性差有关。不同类型土壤FA的其它性质沿剖面的变化也没有规律性的变化,可能与土壤FA性质活泼,不同土壤成土过程对其影响较大有一定的关系。 土壤HM性质沿剖面的变化呈现一个比较明显的规律,即大多数土壤HM性质在中层显示极大值与极小值,这与该处理过程得到的HM的来源复杂有关。由于土壤上层及下层加入不等量的其它物质。例如黑炭以及类胡敏酸物质可能影响土壤上层HM的性质,而干酪根对土壤下层HM的贡献高于上层。 通过不同土壤有机质及其腐殖质组分性质的对比,可知石灰土SOM、HA和FA的分解程度低于其它土壤,有机质分解程度低表明土壤有机质对外界的刺激比较敏感,不利于有机质性质的保持,进而土壤结构也容易发生变化。石灰土SOM、HA和FA的疏水性低于其它土壤,有机质疏水性低表明土壤团聚体的水稳性差,团聚体结构不稳定。这两点可能对喀斯特石漠化的发生有一定的贡献。石灰土有机碳含量高于其它土壤,但石灰土HA含量与其它土壤相比没有优势,表现为HA含量以及HA碳占TOC的比例低于黄壤和黄棕壤,这表明石灰土土壤环境不利于土壤HA的形成,对土壤性质更为有利的HA的含量及比例低可能对石灰土喀斯特石漠化有一定的影响。 考虑到土壤有机质存在多种赋存形式,通过对土壤进行连续提取,成功提取了土壤中存在的3种保存形式的HA(HAf、 HAe和HAi)。不同赋存形式HA提取难易程度显示,HAe和HAi是被土壤基体较好保护的HA组分。对3种不同赋存形式HA的性质进行分析,HAf分C含量顺序为HAf< HAe< HAi,而H和N含量顺序与C含量顺序相反,表现为HAi< HAe< HAf, O/H原子比值顺序为HAf< HAe< HAi,HAf分子结构中α-β-不饱和酸、酯和酰胺的含量低于HAe和HAi,羰基含量也低于HAe和HAi,羧基和酚羟基含量低于HAe和HAi,这些性质表明HAf的极性及溶解于土壤溶液的能力低于HAe和HAi,因此,当HAe和HAi暴露于土壤环境时,极易溶解从而淋溶损失。HAf、HAe和HAi的C/N比值分别约为15、20和30,HAe和HAi的C/N比值接近微生物分解有机质的正当比值为25,表明当HAe和HAi暴露于上壤环境时对微生物更为敏感。说明游离HAf是天然条件下比较活跃的有机质组分,而HAe和HAi是扰动条件下比较活跃的组分。 不同类型土壤分离的3种不同赋存形式HA的含量及占TOC的比值进行比较,尽管石灰土TOC高,HA含量高,但石灰土HAf产量和HAf碳占TOC的比例低于黄壤和黄棕壤,而扰动条件下较为活跃的HAe和HAi含量及HAe和HAi碳占TOC的比例高于黄壤和黄棕壤。这可能说明,石灰土土壤结构在天然条件下较为稳定,而作为石灰土主要HA组分的HAe和HAi在土壤遭受扰动的时候极易淋溶损失或者被微生物分解,石灰土HAe和HAi的大量损失造成石灰土土壤结构的破坏,因此一旦石灰土土壤环境遭受人类活动,极易发生石漠化。 上述研究表明石灰土有机质及其腐殖质组分的组成与性质与其他土壤存在一定的差异,这可能对石灰土喀斯特石漠化有一定的影响。喀斯特分布区域在天然条件下石漠化过程缓慢,但由于石灰土有机质对人类活动的抗性较低,因此喀斯特区域一旦遭受人类扰动,其有机质的组成与性质迅速变化,造成土壤结构对人类活动的抗性也较低,可促进了石灰土石漠化的进程。有机质及其腐殖质组分性质对石漠化的影响主要表现在人类活动加速石漠化进程。