地球科学进展

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (9): 915 -924. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.054

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长江口不同年代围垦区土壤有机质结构组成特征
陈庆强( ), 王雪悦, 姚振兴, 杨钦川   
  1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241
  • 收稿日期:2022-06-06 修回日期:2022-08-01 出版日期:2022-09-10
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“长江口埋藏盐沼土壤碳汇稳定性及其主控因子研究”(42077279);“近百年长江口盐沼发育对流域来水来沙的响应”(41471161)

Characteristics of Soil Organic Matter Structure in Typical Reclamation Areas of the Yangtze River Estuary

Qingqiang CHEN( ), Xueyue WANG, Zhenxing YAO, Qinchuan YANG   

  1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China
  • Received:2022-06-06 Revised:2022-08-01 Online:2022-09-10 Published:2022-09-28
  • About author:CHEN Qingqiang (1969-), male, Xintai County, Shandong Province, Professor. Research area includes marine sedimentology. E-mail: qqchen@sklec.ecnu.edu.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China “Soil carbon sink stability and its main controlling factors for the buried salt marshes in the Yangtze River estuary”(42077279);“Responses of development of the salt marshes in the Yangtze River estuary to the fluxes of water and sediments from the drainage basin in the past 100 years”(41471161)
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明确盐沼土壤有机碳汇的稳定性对于科学评估海岸带“蓝碳”的碳汇潜力具有重要意义，而土壤有机质的结构组成与土壤有机碳汇的稳定性密切相关。选择长江口崇明岛东部4个成陆年代迥异的围垦区，利用固态13C核磁共振技术研究钻探取得的埋藏盐沼以及钻孔周边的林地表层土壤样品的有机质结构特征，揭示土壤有机质更新过程中有机质结构组成的变化。结果表明： ① 不同年代围垦区土壤有机碳官能团由表层到深层的变化特征类似，自表层的林地土壤样品至埋藏的盐沼样品，烷基碳与芳香碳的含量增加，而烷氧碳与羰基碳的含量降低。埋藏盐沼样品的烷基碳/烷氧碳含量值、芳香度与疏水碳/亲水碳含量值均大于钻孔周边林地表层土壤样品。随着埋藏深度增加，土壤有机质化学结构稳定性增强。 ② 自西向东林地表层土壤样品烷基碳/烷氧碳含量值、芳香度、疏水碳/亲水碳含量值均小于1，呈逐渐增长趋势；脂肪族/芳香族含量的值则逐渐降低。自西向东林地表层土壤样品有机质整体分解程度较低，但呈逐渐提高趋势，有机质稳定性逐渐增强。这与树木种植时间由西向东逐渐变早，表层土壤发育时间变长有关。 ③ 自东向西，埋藏盐沼样品有机碳官能团含量与比值的变化表明，随着成陆时间延长土壤有机质稳定性不断增强。综上所述，随着成土时间延长，盐沼土壤有机质分解程度不断提高，有机质中结构稳定的组分所占的比例不断增加，易分解组分的比例不断降低，土壤有机质的稳定性不断提高。运用固态13C核磁共振技术研究长江口不同年代围垦区土壤有机质化学结构组成的变化，为揭示土壤碳汇稳定性的时间趋势及其化学机制提供了重要依据。

关键词: 土壤有机质, 官能团, 固态13C核磁共振, 围垦, 长江口

Clarifying the stability of salt marsh soil organic carbon sinks is of great significance when scientifically evaluating the carbon sink potential of “blue carbon” in coastal zones. The chemical structure and composition of Soil Organic Matter (SOM) are closely related to the stability of soil organic carbon sinks. This study focused on four reclamation areas with different construction times in the eastern part of Chongming Island, China. Solid-state 13C Nuclear Magnetic Resonance (13C NMR) was used to investigate the characteristics of SOM chemical structures in buried salt marsh samples obtained by drilling and topsoil samples acquired from woods around the drilling cores (CM2, CM4, CM5, and CM6). The purpose of this study was to elucidate the variations in the chemical structure of SOM during its turnover. The results showed that ① the variations in soil organic carbon functional groups from the surface to the deep layers exhibited similar trends for the four reclamation areas, despite different construction times. The alkyl carbon and aromatic carbon proportions showed an increasing trend whereas those of alkoxy carbon and carbonyl carbon showed a decreasing trend from the topsoil samples to the buried soil samples. The alkyl carbon/alkoxy carbon, aromaticity, and hydrophobic carbon/hydrophilic carbon of the buried salt marsh soil samples were greater than those of the topsoil samples in the woods around the drilling cores. The stability of the SOM chemical structure increased with burial depth. ② From west to east, alkyl carbon/alkoxy carbon, aromaticity, and hydrophobic carbon/hydrophilic carbon were all less than 1 and showed a gradually increasing trend, but aliphatic carbon/aromatic carbon gradually decreased in the topsoil samples in the woods around the drilling cores. The overall decomposition degree of organic matter in topsoil samples from the woods was low and showed a gradually increasing trend from west to east, which meant that SOM stability gradually improved. This was because the planting time for trees gradually became earlier and the development time for topsoil became longer in the woods from west to east. ③ From east to west, the proportions and ratios of organic carbon functional groups in buried salt marsh samples showed that SOM stability increased with reclamation time. In summary, along with soil development, the decomposition degree of salt marsh SOM continued to improve, with an increasing proportion of refractory SOM components and a decreasing proportion of labile SOM components. In addition, SOM stability continued to increase. The changes in the chemical structure and composition of SOM in the reclamation areas, constructed in different years along the Yangtze River estuary, were studied using solid-state 13C NMR and the results improve understanding about the temporal trend and chemical mechanism underlying soil carbon sink stability.

Key words: Soil organic matter, Functional group, Solid-state 13C nuclear magnetic resonance, Reclamation, The Yangtze River estuary

中图分类号: 

表1 钻探与林地表层取样信息
Table 1 Sampling information for drilling cores and topsoils in the woods around the cores
钻孔编号 经度 纬度 潮坪埋深/cm 柱样深度/cm 林地样点位 钻孔位置
CM2 121°51′46.8" E 31°31′20.4" N 70~270 140~141

121°51′46.8" E

31°31′20.4" N

 54大堤、64大堤之间
CM4 121°53′59.4" E 31°31′33" N 140~246 170~171

121°53′57" E

31°31′34.2" N

 68大堤、92大堤之间
CM5 121°55′28.2" E 31°30′2.4" N 77~188 112~113

121°55′28.2" E

31°30′2.4" N

 92大堤、98大堤之间
CM6 121°56′42.6" E 31°29′7.8" N 0~75 72~73

121°56′42.6" E

31°29′7.8" N

 98大堤以东高潮滩
图1 不同年代围垦区表层样品土壤有机质核磁共振波谱图
（a）CM2孔林地；（b）CM4孔林地；（c）CM5孔林地；（d）CM6孔5~6 cm
Fig. 1 Nuclear magnetic resonance spectra of soil organic matter in topsoil samples from reclamation areas constructed in different time
（a）The woods around Core CM2； （b） The woods around Core CM4； （c） The woods around Core CM5； （d） 5~6 cm of Core CM6
图2 不同年代围垦区埋藏盐沼土壤有机质核磁共振波谱图
（a）CM2孔140~141 cm；（b）CM4孔170~171 cm；（c）CM5孔112~113 cm；（d）CM6孔72~73 cm
Fig. 2 Nuclear magnetic resonance spectra of soil organic matter in buried salt marsh samples from reclamation areas constructed in different time
（a） 140~141 cm of Core CM2； （b） 170~171 cm of Core CM4； （c） 112~113 cm of Core CM5； （d） 72~73 cm of Core CM6
表2 不同年代围垦区表层与埋藏盐沼土壤有机碳官能团比例
Table 2 Ratios of organic carbon functional groups for topsoil and buried salt marsh samples from reclamation areas constructed in different time
钻孔编号 样品 烷基碳/% 烷氧碳/% 芳香碳/% 羰基碳/% 烷基碳/烷氧碳 芳香度 疏水碳/亲水碳 脂肪族/芳香族
CM2 林地表层 26.89 40.34 15.13 17.64 0.666 6 0.183 7 0.724 7 4.443 5
埋藏盐沼 39.73 27.42 17.62 15.23 1.450 0 0.210 0 1.340 0 3.810 0
CM4 林地表层 28.57 35.29 15.27 20.87 0.809 6 0.193 0 0.780 6 4.182 1
埋藏盐沼 41.37 28.57 18.44 11.62 1.450 0 0.210 0 1.490 0 3.790 0
CM5 林地表层 30.44 32.50 15.78 21.28 0.936 6 0.200 5 0.859 4 3.988 6
埋藏盐沼 31.27 29.82 20.33 18.58 1.050 0 0.250 0 1.070 0 3.000 0
CM6 5~6 cm 34.48 38.81 12.13 14.58 0.888 4 0.142 0 0.873 0 6.042 0
埋藏盐沼 37.47 31.82 17.34 13.37 1.177 6 0.200 2 1.212 9 3.996 0
表3 不同年代围垦区表层与埋藏盐沼土壤的理化参数
Table 3 Several physical and chemical parameters for topsoil and buried salt marsh samples from reclamation areas constructed in different time
钻孔编号 样品 平均粒径/µm 黏粒含量/% 土壤有机碳含量/% 总氮含量/% 数据来源
CM2 林地表层 14.25 18.22 1.07 0.13 本文
埋藏盐沼 17.46 8.87 0.43 0.05 参考文献［ 27 ］
CM4 林地表层 13.84 18.04 1.09 0.13 本文
埋藏盐沼 27.21 8.45 0.28 0.04 参考文献［ 27 ］
CM5 林地表层 13.55 16.94 1.23 0.13 本文
埋藏盐沼 19.90 12.50 0.55 0.06 参考文献［ 27 ］
CM6 5~6 cm 25.58 10.30 0.64 0.07 本文
埋藏盐沼 26.86 7.26 0.41 0.04 参考文献［ 27 ］
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