三江源地区高寒土壤有机碳赋存特性与气候及植被变化的联系：以下拉秀剖面古土壤序列为例

摘要

在全球变化的背景下，陆地碳循环与气候变化之间的关系是当前环境问题的核心内容之一。陆地生态系统中土壤有机碳的源汇问题、碳库结构问题、碳循环平衡等一向是国内外学界研究的热点。土壤有机碳的库容是极其巨大的，其微小的变动将会显著影响大气CO2的含量，并以温室效应的方式影响全球气候的变化。青藏高原是欧亚大陆最高最大的地貌单元，是地球陆地生态系统极其重要的组成部分。青藏高原土壤有机碳总量高达335.1973×108 t，是全球土壤碳库的2.4％左右，占全国土壤有机碳量的23.44％，是地球生态系统的一个重要碳汇。青藏高原草地生态系统作为一个碳汇，不仅在全球气候变化中扮演着重要角色，而且青藏高原自身对全球气候变化十分敏感。草地土壤通过呼吸排放的CO2高达11.78×108t C/a，约占中国土壤呼吸总量的28.3％，明显高于全国乃至全球平均值。1970年代以来的30年间，由于土地利用变化和草地退化所释放的CO2为30.23×108 t C，是土壤呼吸碳排放的9.1％，其中又以“黑土滩”化等形式的草地退化引起的碳排放为主，约有29.53×108 t，占97.68％。
　　青藏高原草地生态系统土壤与中国绝大多数农业生态系统土壤相比，最大的特点是人类的生产活动对土壤的存续状态干扰少，使得其能够保存一份天然状态。下拉秀剖面位于青藏高原“三江源”自然保护区南部，在地理上属于澜沧江流域的源头。剖面自然分异为厚度不等、色调各异的16个层位。本文以下拉秀剖面为对象，在对其存续期间气候反演的基础上，按照其自然分异的层位采集样品，通过对各层位有机碳13C同位素、土壤有机碳氧化稳定性、土壤有机碳组分、红外光谱及核磁共振测试，研究探索剖面土壤有机碳的赋存特性。研究获得的主要结论如下:
　　(1)剖面土壤14C中位年龄最为久远的年代是属于中全新世的6688士32a B.P.，由于下拉秀剖面为中全新世以来叠加累积形成的加积剖面，作为具体表示该最为久远年代的层位不在剖面的最底层，反而出现在剖面的中间偏下部位。剖面存续期间的中全新世以来，经历了6000aB.P.以前的前期暖湿时段，中期4500a B.P.至6000aB.P.之间较为暖湿、多变、变动幅度较大的时段以及后期4500aB.P.至今较为冷干的时段。在后期现代生草层所处的阶段较本时段上一阶段略微冷干。
　　(2)剖面土壤有机碳δ13C在-25.0％～-22.81％的较小范围内波动，现代生草层的613C组成最负。由613C组成获取的C4植物丰度约在10％26％之间，现代生草层的C4植物主要由禾本科、旋花科两科5种植物组成。
　　(3)剖面土壤有机碳的氧化稳定性存在前期容易氧化的有机碳含量较高变化较为规律，中期变化幅度较大复杂多变，后期难氧化有机碳含量较高变化较为规律的特征。剖面存续期间的土壤有机碳氧化稳定系数前期小于1，中期变化幅度大，后期大于1.5，现代生草层所处阶段较同时段其一阶段略低。剖面土壤有机碳的氧化稳定性对气候变迁做出了响应，暖湿有利于氧化稳定性低的有机碳形成，冷干则有利于氧化稳定性高的有机碳形成保存。
　　(4)只有剖面存续的前期、中期的个别层位富里酸、胡敏酸之和小于胡敏素，但对气候变迁的响应不敏感;暖湿的气候环境有利于富里酸的形成，冷干的环境有利于胡敏酸的，前期富里酸含量较高，随着气候冷干过程的逐步加强，胡敏酸的中后期较前期含量增加;铁结合胡敏素、粘粒结合胡敏素之和前期较后期略高，中期多变且变化幅度大;部分层位的铁结合胡敏素大于粘粒结合胡敏素，现代生草层铁结合胡敏素较同期前一阶段略低且小于粘粒结合胡敏素;前期总体钙键合态土壤有机碳、铁铝键合态土壤有机碳之和大于残渣态土壤有机碳，中期部分层位钙键合态土壤有机碳、铁铝键合态土壤有机碳之和略大于残渣态土壤有机碳，后期钙键合态土壤有机碳、铁铝键合态土壤有机碳之和小于于残渣态土壤有机碳，但变幅较中期略有缩小;全剖面铁铝键合态土壤有机碳恒大于钙键合态土壤有机碳。
　　(5)剖面土壤有机碳官能团主要以酚羟基为主，疏水性有机碳中芳香碳的含量总体大于烷基碳，亲水性有机碳的含量烷氧碳大于羧基碳而氨基碳含量最小，除P1层外剖面总体疏水性有机碳含量大于亲水性有机碳;现代生草层疏水性有机碳烷基碳大于芳香碳，显著有别于古土壤层芳香碳大于烷基碳的情况;暖湿有利于疏水性有机碳的形成，冷干有利于亲水性有机碳的保存。
　　上述研究表明，土壤有机碳能够在多种角度对气候变迁做出响应，尽管这种响应存在某种程度的差异，但气候对土壤有机碳性质的影响是不容置疑的。相对冷干的气候条件下形成的稳定性较高的土壤有机碳是“黑土滩”退化草地形成的先决条件之一。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 全球变化与陆地生态系统碳循环

1．3 青藏高原土壤有机碳研究现状

1．3．1 土壤有机碳库估算

1．3．2 气候变化条件下土壤有机碳源汇功能研究

1．3．3 土壤碳排放研究

1．3．4 生态系统逆向演化中草地“黑土滩”问题

1．4 土壤有机碳赋存与以土壤为对象的古气候研究方法

1．4．1 土壤有机碳的赋存

1．4．2 土壤有机碳结构表征技术

1．4．3 以土壤为对象的古气候研究方法

1．5 本研究问题的提出

1．5．1 青藏高原在现代全球气候演化中的意义

1．5．2 青藏高原草地土壤有机碳的全球意义

1．5．3 本研究的目的意义

1．5．4 研究内容和技术路线

第二章 材料与方法

2．1 供试土壤

2．1．1 区域自然概况

2．1．2 剖面描述

2．2 实验方法

2．2．1 土壤样品的预处理

2．2．2 粘土矿物提取分析

2．2．3 铁氧化物组分测定

2．2．4 土壤有机碳14C测年

2．2．5 土壤有机碳δ13C同位素的测定

2．2．6 C4、C3植物丰度的计算

2．2．7 土壤有机碳氧化稳定性的测定

2．2．8 腐殖质组分的分离提取

2．2．9 键合态有机碳的分离提取

2．2．10 土壤有机碳组分测定及其他元素测定方法

2．2．11 有机碳红外光谱分析

2．2．12 有机碳13C核磁共振分析

第三章 下拉秀剖面土壤粘土矿物组合

3．1 引言

3．2 研究方法

3．3 结果与分析

3．3．1 粘土矿物组成

3．3．2 铁氧化物组成

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 土壤有机碳δ13C组成及其植被指示意义

4．1 引言

4．2 研究方法

4．3 结果与分析

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 土壤有机碳的氧化稳定性特征

5．1 引言

5．2 研究方法

5．3 结果与分析

5．4 讨论

5．5 小结

第六章 土壤有机碳的键合组分特征

6．1 引言

6．2 研究方法

6．3 结果与分析

6．3．1 腐殖质组分构成

6．3．2 胡敏素组分构成

6．3．3 键合态有机碳组分构成

6．4 讨论

6．5 小结

第七章 土壤有机碳的分子结构特征

7．1 引言

7．2 研究方法

7．3 结果与分析

7．3．1 红外光谱波数对结构性有机碳官能团的归属

7．3．2 以红外光谱为分析基础的不同层位土壤有机碳官能团变化

7．3．3 基于13C核磁共振波谱的土壤有机碳官能团的变化

7．4 讨论

7．5 小结

第八章 全文讨论、结论与展望

8．1 讨论

8．1．1 土壤有机碳赋存变化与气候变化的潜在联系

8．1．2 土壤有机碳与草地退化

8．1．3 土壤中粘土矿物、铁氧化物和有机质间的相互作用及其对气候反演结果的影响

8．2 主要结论

8．3 创新点

8．4 不足与展望

参考文献

缩略词一览表

攻读博士学位期间发表的论文

致谢