棕壤酸化过程中黏土矿物演化及土壤碳固持的响应

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
41771273
项目类别：
面上项目
资助金额：
63.0万
负责人：
诸葛玉平
依托单位：
山东农业大学
学科分类：
D0709.基础土壤学
结题年份：
2021
批准年份：
2017
项目状态：
已结题
起止时间：
2018-01-01 至2021-12-31

项目参与者：
娄燕宏；王会；阎祥慧；杨全刚；骆洪义；孙鑫；关瑞；何伟；韩飞；
关键词：
表面电荷与电位土壤有机碳黏土矿物矿物演化土壤酸化

项目摘要

Soil acidification is one of the most serious environmental problems we are facing, and seriously restricts the sustainable development of agriculture in Jiaodong Penisula. Feedback mechanism was observed between soil acidification and clay mineral evolution. As the skeleton of soil colloid, clay mineral is closely related with the soil carbon sequestration. The objectives of this research were to: i) clarify the evolution characteristics of soil clay minerals based on evaluating the clay mineral composition and soil weathering degree; ii) evaluate the effects on clay minerals morphology, occurrence characteristics, surface electrochemical properties by soil acidification, to establish the interaction between the soil acidification and surface structure and electrochemical properties, and to reveal the responding mechanism of surface characteristics of clay minerals to soil acidification; iii) assess the relative content of organic mineral complex carbon in various degree of soil acidification, and clarify the chemical stability mechanism of organic carbon; estimate the correlation between soil particulate organic carbon, mineral organic carbon and clay mineral characteristics, and delineate the response mechanism of soil carbon sequestration characteristics to clay mineral evolution. This research will benefit to clarify of clay mineral evolution and environmental effect, and to enrich the theory of soil acidification and chemical stability of soil organic carbon.

土壤酸化是世界范围内影响广泛、危害较大的环境问题之一，近年来胶东半岛的土壤酸化严重制约着该区农业的可持续发展。土壤酸化与黏土矿物变化存在互馈机制，黏土矿物作为土壤胶体的主体，与土壤的固碳特性密切相关。本项目以胶东半岛酸化棕壤为研究对象，研究：（1）酸化棕壤的黏土矿物组成及土壤风化发育度，明确酸化棕壤黏土矿物的演化特征；（2）酸化对棕壤黏土矿物显微形貌、产状特征、表面电化学性质的影响，建立酸化与黏土矿物表面结构和电化学性质的相互关系，揭示棕壤酸化过程中黏土矿物表面特性的响应机制；（3）不同酸化程度棕壤中有机-矿物复合体碳相对含量的变化规律，确立不同酸化棕壤有机碳的化学稳定性机制，构建土壤颗粒有机碳、矿物结合态有机碳与黏土矿物特性的相关性，阐明土壤碳固持特性对黏土矿物演化的响应机制。本项目的实施将有助于阐明北方棕壤酸化过程中的黏土矿物变化规律及其效应，丰富土壤酸化和土壤有机碳化学稳定性的理论。

结项摘要

土壤酸化是制约区域农业可持续发展和碳中和潜力的重要因素。黏土矿物作为土壤胶体的主体，其与土壤酸化的相互作用机制尚不明确，进而如何影响土壤碳固持特性亦不清晰。本项目以胶东半岛不同酸化程度和土地利用方式的棕壤为研究对象，开展了以下三个方面的研究：（1）不同酸化棕壤的黏土矿物演化特征；（2）不同酸化棕壤表面特性研究；（3）土壤碳固持特性对黏土矿物演化的响应研究。研究结果表明：（1）土壤酸化会影响土壤黏土矿物的演化方向，在pH ＞ 5.5时，伊利石会少量转化为蒙脱石；当pH ＜ 5.5时，伊利石会经蛭石转化为高岭石；当土壤酸度达到强酸程度（pH ＜ 4.5）时，土壤黏土矿物会完全水解生成三水铝石。（2）永久电荷的变化是通过酸化对黏粒含量及各类型粘土矿物含量的影响实现的。即永久负电荷不受pH的直接影响，但当土壤处于长期酸化条件时，会促使土壤黏土矿物由2:1型向1:1型转化，从而导致永久负电荷的减少。（3）酸化、黏土矿物特征与土壤固碳特性密切相关。在酸化程度较高的棕壤中，虽然土壤黏土矿物含量较少，但易氧化有机碳和颗粒有机碳可为总有机碳提供较大贡献值；在酸化程度较低的棕壤中，矿物结合态有机碳能稳定的储存在土壤中，维持土壤肥力。土壤酸化还会对土壤细菌、真菌群落组成及其多样性产生影响，随着土壤酸化程度的加深，细菌群落的α-多样性显著降低，研究发现，土壤pH值是控制微生物群落分布的一个重要预测因子，它可以通过改变其他交换性盐基离子（例如交换性Al3+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+）含量，从而进一步驱动微生物群落结构。本项目阐明了胶东棕壤酸化过程中的黏土矿物变化规律及其固碳效应，有助于丰富土壤酸化和土壤有机碳化学稳定性相关理论。