土壤团聚体制备方法对其稳定性及固碳潜力评价的影响研究

郑 楠,邵 阳,罗 敏,孟丹阳,徐殿斗,刘志明,马玲玲*

土壤团聚体制备方法对其稳定性及固碳潜力评价的影响研究

郑 楠1,2,邵 阳2,罗 敏2,孟丹阳1,2,徐殿斗2,刘志明1,马玲玲2*

(1.北京化工大学化学工程学院,化工资源有效利用国家重点实验室,北京 100029；2.中国科学院高能物理研究所,北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心,北京 100049)

为探讨不同土壤团聚体制备方法对评价城市土壤固碳潜力的影响,本研究采集北京市两种典型的不同利用类型土壤—城市绿地土壤和城郊农田土壤,分别采用干筛法和湿筛法制备土壤团聚体,对其团聚体组成、有机碳含量以及稳定碳同位素特征进行了解析.结果表明:干筛法制备的机械稳定性团聚体均以>0.25mm的大团聚体为主(城市绿地土壤:69.80%;农田土壤:71.36%);而湿筛法制备的水稳性团聚体均以<0.25mm微团聚体为主(城市绿地土壤:57.70%;农田土壤:52.14%).红外光谱解析发现,不同制备方法下,两类土壤中微团聚体中均是稳定有机碳比活性有机碳相对含量高;北京城郊农田土壤中稳定芳香碳的相对含量较多,而脂肪碳相对含量较少;城市绿地土壤则具有相反特征,说明城市绿地土壤中有机碳具有更高活性易在一定条件下被释放.结合稳定碳同位素比值解析发现,湿筛制备方法下13C在<0.053mm团聚体颗粒组中富集,更符合土壤团聚体胚胎发育模型,说明在土壤固碳潜力研究中,湿筛法比干筛法制备团聚体更具有实际评价价值,本研究为进一步评价我国城市土壤的固碳潜力具有参考意义.

团聚体颗粒组；土壤有机碳；碳稳定同位素；干筛法；湿筛法

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库[1],土壤有机碳库微小的变化将导致大气CO2浓度的剧烈波动[2].土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是影响其结构、水分含量和变化及其离子交换容量的决定因子,增加土壤有机碳含量不仅有利于维持土壤养分和农业发展[3],而且有利于降低土壤CO2释放,进而减缓温室效应[4].

土壤团聚体是土壤有机碳形成和转化的重要载体[2,5],其稳定性也是预测土壤水分流失和抗侵蚀能力的重要指标[6].土壤团聚体中有机碳的数量和质量各不相同,因为不同粒径的团聚体可能具有不同的质地和孔隙度[7].土壤团聚体根据其粒径大小可以分为大团聚体(>250μm)和微团聚体(<250μm),各团聚体间可进一步细分为粗大团聚体(>2000μm)、细大团聚体(2000～250μm)和微团聚体(250～53μm)和粉-黏团聚体(<53μm)[8];也可根据其抗外力作用分为稳定性团聚体和非稳性团聚体[6].土壤团聚作用效应大小的关键是其中有机碳的滞留时间和降解速度,同时土壤有机碳的变化也受到土壤团聚体结构的调控[9].因此,明确团聚体的形成和周转模式是理解和研究土壤SOC动态及团聚体中SOC固定机理的基础[10].

团聚体颗粒的分离是探究其性状结构首要的一步,干筛法和湿筛法在土壤团聚体分离中得到了广泛的应用[11-12].干筛法测定的是原状土壤机械稳定性团聚体含量,由于其对土壤中瞬变性和临时性的有机胶结物质的破坏较小,能够反映土壤团聚体在自然状态下的分布特征.湿筛法测定的是土壤水稳性团聚体含量,可以反映土壤潜在的抗水蚀能力.祁迎春等[13]研究认为,干筛法对土壤中微生物群落破坏作用较小,而湿筛法由于离子水合作用或水溶性有机质的存在会使土壤团聚体被破坏,干筛法可能优于湿筛法.姜敏等[14]则认为,湿筛法比干筛法更能准确地重现土壤团聚体的稳定性及土壤的抗侵蚀能力.Liu等[15]在探究水稻土中碳同位素丰度变化与团聚体周转之间关系时采用湿筛法制备土壤团聚体,研究发现微团聚体(<0.25mm)的δ13C值高于大团聚体(>0.25mm).前人关于土壤团聚体固碳潜力的研究[16-19]主要集中于土壤团聚体粒径大小和有机碳分布行为之间的关系,但鲜见针对不同分离方法对不同利用类型土壤团聚体组成和结构变化及有机碳固存特征的影响研究.随着碳中和目标实施的推进,城市绿化土壤及城郊农业土壤的固碳作用受到越来越多的关注.

因此,本文以北京市城市绿地土壤和郊区农田土壤两种不同土地利用类型的土壤为研究对象,比较不同制备方法中土壤团聚体稳定性及组成差异,结合碳同位素比解析及红外光谱表征等方法来探究团聚体分离方法对不同土壤团聚体有机碳含量和碳同位素值分布行为的影响,研究将为进一步采用有效的土壤固碳潜力评价提供一定的科学依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

北京属暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明,年降水400～750mm,降水主要集中在夏季7、8月份,地带性土壤类型主要是褐土.本试验将位于北京市石景山区的城市绿地土壤(39°54.4931′N,116°14.8082′E)以及海淀区的郊区农田土壤(40°05.5634′N, 116°11.5498′E)作为供试材料,各取样点土壤质地按国际制标准划分全为粉粘土.两种不同利用类型的土壤选择多个采样点各采集表层0～20cm土壤混合样品约1kg,混合后进行四分法取舍后装袋并剔除粗根和石块,于自然通风处风干后装袋保存备用.土壤pH测定采用电位法,土壤含水量测定采用重量法,土壤有机碳和全氮采用稳定同位素比质谱仪测定,土壤全磷和全钾采用微波消解ICP-OES法测定[20].供试土壤基本理化性质如表1所示.

表1 供试土壤基本理化性质

干筛法制备机械稳定性土壤团聚体颗粒组:分别取适量土样在振筛机上筛分15min,得到粒径>2mm、2～1mm、1～0.25mm、0.25～0.053mm和<0.053mm五个团聚体颗粒组,测定各孔径筛子上土样重量,计算各级团聚体的粒径和分布.

湿筛法制备水稳定性土壤团聚体颗粒组:在盛有适量水的沉降筒中放置10目、18目、60目和270目孔径的套筛组,将最上层筛子放置的土壤在水中浸润5min后,以每min30次的频率震动3min.静置5min后用水仔细的冲洗每一层筛面,将冲洗后的悬浊液收集到烧杯中,充分沉降后冷冻干燥,称量以计算各级团聚体的粒径和分布.

1.2 研究方法

土壤团聚体有机碳官能团表征:压片前将各粒径团聚体样品放置在60℃烘箱中8h,分别称取1.50mg的样品和150mg的光谱纯KBr混合研磨、压片,进行红外光谱测定(美国Nicolet 5PC红外光谱仪).分辨率4cm-1,波谱范围4000～400cm-1,数据分析采用Omnic version 8.2进行红外谱图解析以及吸收峰面积统计解析.

土壤团聚体有机碳含量及同位素测定[21]:分别称取0.5g的过100目筛的土壤样品于50mL离心管中,加入1mol/L盐酸混匀,于恒温振荡器上在室温下震荡24h,然后用去离子水将土壤样品洗至中性,于烘箱中60℃下烘至恒重,研磨后采用稳定同位素比质谱仪测定(美国Thermo.Co公司型号为MAT 253Plus),每个样品重复测定3次,保证空白和平行样品的相对标准偏差均在5%以下.

1.3 数据处理

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的计算公式分别为[22]:

式中:w为各粒径团聚体的质量百分数,%;X为各粒径团聚体的平均直径,mm.

为了确定土壤的稳定性,团聚体破坏率(PAD)采用干法和湿法筛分相结合的方法确定,公式如下[23]:

式中:DR0.25为干筛法>0.25mm机械稳定性团聚体的百分率(%),WR0.25为湿筛法>0.25mm水稳定性团聚体的百分率(%).

δ13值计算公式如下:

式中:samp和stand分别为土壤样品以及标准样品的13C/12C值.

2 结果与讨论

2.1 土壤团聚体组成特征

如图1所示,城市绿地土壤和农田土壤中干筛法所得的机械稳定性团聚体均以大团聚体(>0.25mm)为主.但两种土壤组成结构存在差异,其中农田土壤>2mm团聚体颗粒组所占比例约为城市绿地土壤的3.4倍.两种土壤湿筛法水稳定性团聚体粒级分布基本一致,即0.25～0.053mm团聚体颗粒组所占比例最高(均在41%之上).姜敏等[14]分别采用干筛法和湿筛法测定丹江口库区土壤团聚体组成,研究表明干筛条件下土壤大团聚体(>5mm)含量均达到50%以上,而湿筛条件下<0.1mm和0.25～1mm团聚体颗粒组所占比例最大,分布在29%～42%之间.朱利霞等[23]对河南周口市杨树和女贞林地土壤研究表明,干筛条件下³0.25mm团聚体颗粒组所占比例最大,湿筛条件下<0.25mm团聚体颗粒组所占比例最大.这可能是由于湿筛法破坏了土壤中非水稳性团聚体,使其崩解为小粒径的团聚体.本研究中湿筛法下,城市绿地土壤中微团聚体含量提高了29.5%,农田土壤微团聚体含量提高了25.5%.这也说明,北京城市绿地土壤和农田土壤团聚体结构与组成的研究中,不同团聚体分离方法对其研究结果影响较大.

图1 干筛和湿筛法土壤团聚体组成比例

2.2 土壤团聚体稳定性分析

一般而言,土壤MWD和GMD值越大,土壤团聚体就越稳定[24].PAD表示水蚀作用下土壤团聚体的分散程度,其值越小,稳定性越高.由表2可知,干筛法和湿筛法条件下,农田土壤的MWD和GMD值均高于城市土壤.城市绿地土壤和农田土壤团聚体PAD值分别为39.40%和32.94%,表明供试农田土壤团聚体的水稳性优于城市土壤.不同土地利用方式下的土壤中,有效根根量的差异是造成这种不同结果的重要原因之一.土壤胶结剂是促进团聚体形成和稳定的关键物质,可分为土壤有机质、根系菌丝等有机胶结剂和黏粒、多价金属离子、氧化物等无机胶结剂[6].姚贤良等[25]指出,在人为干扰较少的耕作管理情况下,铁铝氧化物以及黏粒对土壤团聚体的胶结作用可能要大于有机质,但经过种植旱作一段时间后,土壤中的黏粒和无定形铁铝氧化物明显降低.陈山[26]研究发现,各粒级团聚体中无论是游离态铁铝氧化物还是非晶型铁铝氧化物,均与干筛MWD、湿筛MWD和PAD表现为相关性不显著.

表2 土壤团聚体稳定性评价

2.3 土壤团聚体有机碳含量及红外光谱特征

由表3可知,城市绿地土壤团聚体具有较高的土壤有机碳含量,这可能是因为其植物生物量较高,比农田积累了更多的凋落物和地下根系.Zhang等[27]发现退耕还林还草后土壤有机碳以36.67g/(m2·a)的速度累积.同时,不论是干筛还是湿筛,土壤有机碳主要赋存于微团聚体中(<0.25mm),<0.053mm粒径团聚体固碳能力高于其他粒级.湿筛法所得较大粒径(>0.25mm)团聚体中有机碳含量普遍低于干筛,但未达到显著性差异水平(<0.05).

土壤的红外光谱图可用于鉴定土壤黏土矿物类型,3700～3100cm-1为黏土矿物羟基伸缩振动谱带,<1300cm-1的指纹区是晶格硅氧键伸缩振动及其它能量较小的羟基弯曲振动频率范围[28].如图2所示,城市土壤和农田土壤都在3621,3425,1646cm-1处都有明显吸收峰,是典型的蒙脱石型矿物质的特征吸收峰,同时在3696cm-1处都有小的锐峰,说明两种土壤都含有少量高岭石.

表3 干筛和湿筛法土壤团聚体有机碳含量及官能团相对含量

注:脂肪C1指脂肪CH3和CH2的C-H伸缩振动;脂肪C2指脂肪CH3和CH2的变形振动.

总体来讲,无论采用干筛法还是湿筛法,城市绿地和农田土壤不同粒径团聚体的红外光谱非常相似,只是吸收强度存在差别,说明两种制备方法下不同粒径团聚体中有机碳官能团和黏土矿物组成没有差异,只是有机碳相对含量有差异.城市绿地土壤在3000～2800cm-1处有C-H伸缩振动的微小吸收峰,并且在1440cm-1处有甲基、亚甲基等烷基C-H变形振动的较强吸收峰.农田土壤团聚体红外图谱在碳水化合物的1085cm-1和芳香碳的1635cm-1尖峰处存在较强肩吸收.从表3可知,农田土壤各粒径团聚体芳香碳的相对含量较多,变形振动脂肪碳的相对含量较少;城市土壤则正好相反.两种制备方法均发现大团聚体中芳香碳的含量普遍小于微团聚体;而多糖碳和脂肪碳在大团聚体中的含量高于微团聚体,这表明相对于微团聚体,大团聚体中活性有机碳相对含量多而稳定有机碳相对含量较少,大团聚体中的有机碳更容易受到外部扰动的影响.

图2 干筛和湿筛法土壤团聚体红外光谱解析

a.城市绿地土壤干筛;b.城市绿地土壤湿筛;c.农田土壤干筛;d.农田土壤湿筛

2.4 土壤团聚体碳稳定同位素分析

为了进一步探讨不同团聚体分离方法的适用性,理解土壤有机碳的动态与团聚体的周转密切相关,我们对不同团聚体颗粒组的稳定碳同位素进行了解析.如图3所示,农田土壤团聚体中δ13C值较城市绿地土壤更大.这可能是由于两种表层土壤中植物凋落物与根系分泌物不同,而C3植物δ13C值与C4植物相比更趋向负值,所以C4植物表层土壤δ13C值更大.

理论上,稳定C同位素分馏发生在植物-土壤系统中碳迁移转化的每一个步骤,各组分中13C的丰度与物质迁移有关[29].在土壤团聚体转化和有机碳固定过程中,13C分馏导致后期形成的团聚体δ13C值增加.因此,δ13C值较高的团聚体可视为低δ13C值团聚体的产物.如图3可示,城市绿地和农田土壤湿筛制备团聚体中δ13C值分别从-25.42‰到-22.07‰和-21.70‰到-20.01‰变化,随团聚体粒径的增加而减小,而干筛法制备两种土壤团聚体δ13C值最大值均出现在2～1mm粒径中.在探究土壤团聚体周转过程中碳同位素分馏特征时,不同团聚体分离方法对其研究结果影响较大.Li[5]采用湿筛法分离石漠化地区土壤团聚体研究其稳定性和固碳潜力,研究表明SMA (1～0.25mm)团聚体颗粒组中有机碳含量最高,而<0.05mm团聚体颗粒组中δ13C值最大.曾伟斌等[30]研究丹江口库区不同土地利用土壤碳氮含量,采用湿筛法制备林地、灌木地和农田土壤团聚体,发现3种土地利用类型下土壤有机碳含量均以<0.053mm团聚体颗粒组最高,δ13C值的大小顺序在各粒径中均为:农田>灌木地>林地,且三者差值随粒径变小呈减少趋势.

团聚体的胚胎发育模型认为,新鲜有机质加入后会先和土壤中的小团聚体结合,逐渐形成大团聚体,而后大团聚体破碎,又会从中释放出小团聚体.本研究中同位素解析发现湿筛制备团聚体中δ13C值随粒径增加而减少,可能是由于湿筛过程中大团聚体有机质胶结剂分解导致大团聚体破碎,稳定的微团聚体释放,进入下一轮团聚体的循环.因此,湿筛法制备土壤团聚体来研究土壤的固碳潜力及影响因素更符合大团聚体周转及SOC动态变化规律.

图3 干筛和湿筛法土壤团聚体的δ13C值

3 结论

3.1 干筛法制备的机械稳定性团聚体均以>0.25mm的大团聚体为主(城市绿地土壤:69.80%;农田土壤:71.36%);而湿筛法制备的水稳性团聚体以<0.25mm微团聚体为主(城市绿地土壤:57.70%;农田土壤52.14%).北京城市绿地土壤和农田土壤团聚体结构与组成的研究中,不同团聚体分离方法对其研究结果影响较大.

3.2 两种筛分方法制备土壤团聚体均发现有机碳含量随粒径减小而增大,微团聚体中活性有机碳相对含量少而稳定有机碳相对含量较多.

3.3 干筛法中城市绿地和农田土壤团聚体的δ13C值最大值均出现在2～1mm团聚体颗粒组中;而湿筛法中两种类型土壤的13C均在<0.053mm团聚体颗粒组中富集.在探究土壤团聚体周转过程中碳同位素分馏特征时,湿筛法制备土壤团聚体能更好地反映土壤中团聚体周转及土壤有机碳动态变化的胚胎发育模型.因此湿筛法比干筛法制备团聚体来研究其固碳潜力更具有实际应用价值.

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Effects of soil aggregate preparation methods on the stability and carbon sequestration potential evaluation.

ZHENG Nan1,2, SHAO Yang2, LUO Min2, MENG Dan-yang1,2, XU Dian-dou2, LIU Zhi-ming1, MA Ling-ling2*

(1.State Key Laboratory of Chemical Resources Engineering, College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China；2.Beijing Engineering Research Center of Radiographic Techniques and Equipment, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2022,42(6)：2821～2827

To investigate the effects of different soil agglomerate preparation methods on the evaluation of agglomerate stability and its carbon sequestration potential, soils were collected from two typical land utilization types-urban road soils and suburban agricultural soils in Beijing. The soil aggregate was prepared by dry sieving and wet sieving methods, respectively, and its composition, organic carbon content and stable carbon isotope were analyzed. The mechanically stable aggregates prepared by the dry sieving method were dominated by the large (>0.25mm) aggregates (urban road soils: 69.80%; agricultural soils: 71.36%). In contrast, the water-stable aggregates prepared by the wet sieving method were dominated by the micro (<0.25mm) aggregates (urban road soil: 57.70%; agricultural soil: 52.14%). Infrared spectrum analysis showed that irrespective of the different preparation methods, the relative content of stable organic carbon in micro aggregates was higher than that of active organic carbon for the two types of soils. For the arable soil in the suburbs of Beijing, the relative content of stable aromatic carbon was more, while the relative content of fatty carbon was less. In the case of urban greening soil, the opposite characteristics can be observed, indicating that organic carbon in urban greening soil has higher activity and is easy to be released under certain conditions. Combined with the analysis of stable carbon isotope ratio, it is found that13C is enriched in the aggregate particle group smaller than 0.053mm prepared by the wet sieve method, which is more fitted the soil aggregate embryo development model, indicating that the wet sieve method has more practical evaluation value than the dry sieve method in the study of soil carbon sequestration potential. This study has reference significance for further evaluating the carbon sequestration potential of urban soils in China.

soil aggregates；organic carbon；stable isotope composition；dry sieving method；wet sieving method

X53

A

1000-6923(2022)06-2821-07

郑 楠(1994-),女,山西太原人,北京化工大学硕士研究生,主要从事污染物环境行为研究.

2021-11-17

国家自然科学基金资助项目(U1932103,11875266);国家自然科学基金重点项目(U1832212,91643206)

* 责任作者, 研究员, malingling@ihep.ac.cn