采矿工程专业本科生毕业论文开题报告题 目：花岗岩成土剖面土壤碳含量和同位素沿纬度变化班 级： 2012 级采矿工程班 姓 名： 指导教师： 日 期： 2016. 2 能源工程学院陇东学院本科生毕业论文开题报告姓名 专业 采矿工程 学号指导教师 职称 讲师 所在院系 能源工程学院论文题目 花岗岩成土剖面土壤碳含量和同位素沿纬度变化题目来源 国家自然科学基金项目（）1 课题研究的意义及目的我国花岗岩约占全国基岩的 15%，花岗岩的风化成土过程是一个净碳汇过程1。上世纪八十年代中期，随着全球大气中 CO2 未知汇问题的提出，花岗岩在全球碳循环中起到的作用也得到了学术界的重视。花岗岩风化形成的土壤中基本不含碳酸盐（无机碳） ，土壤有机碳是全球碳库的重要组成部分，也是较为活跃的部分，其含量和动态在土壤质量演变和全球碳循环中起着十分重要的作用。对花岗岩成土土壤有机碳及其同位素的含量和分布特征的研究在表征土壤质量及土壤碳循环方面有着重要意义。1.1 国内外现状花岗岩是大陆地壳的主要组成部分，是一种岩浆在地表以下凝结形成的火成岩，属于深层侵入岩。主要成分是长石、云母和石英，质地坚硬，不易风化。一般是黄色带粉红的，也有灰白色的。主要集中在中东部诸省，最多的要算河南、福建、广东、山东，其次是黑龙江、辽宁、浙江、吉林等省，这八个省的花岗石储量占全国总预测量的 77%以上。1.1.1 气候因素对土壤有机碳分布的影响随着气候变化对土壤碳循环影响问题的广泛关注，有机碳的属性与气候要素的关系又成为新的研究热点。目前，大多数学者认为，增加土壤有机碳稳定的重要机制之一是团聚体的物理保护作用，因为土壤团聚体的稳定性对土壤有机碳有保护作用；几十年来，国内外土壤研究者对土壤有机、无机、胶结物和土壤团聚体形成的关系作了大量的研究工作，得到了关于团聚体形成机制的不同观点。在我国对土壤有机碳的研究也广泛展开，特别是从土壤肥力角度对农田土壤有机质开展大量研究，从气候变化角度对土壤有机碳动态方面也开展一些研究。土壤有机碳含量决定于有机碳的输入与输出过程，输入主要取决于植物残体的形成和分解，输出主要取决于土壤有机碳的分解和淋溶。海拔不同，一方面使植被生产力不同而使植物残体形成量和土壤有机碳输入不同。另一方面也使气候要素和土壤性质不同而使有机碳分解和淋溶输出不同。王长庭 2等（2005）在青海研究高寒草甸却发现土壤有机碳含量在低、高海拔处较高，中间海拔较低；艾丽 3等(2010)研究结果与这些研究结果不完全一致。这主要因为他们研究选择祁连山海拔范围22003600m，相差 1400m，加上这个山地地处青藏高原边沿地带，该带属于干旱气候，水热要素、植被组成和分布以及土壤性质都有较大差异，这些差异将对土壤有机碳含量产生不同影响。许多研究表明土壤有机碳含量随土层加深而下降。这主要与植被根系分布、水热要素和土壤性质在不同土层差异有关。海拔高度影响着温度、湿度、水分、土壤类型和植被分布，导致土壤的碳储量存在差异。宝天曼森林土壤的碳氮储量与海拔存在显著的线性关系，随海拔的升高，土壤的碳氮储量显著升高。原因是随着海拔的升高，温度逐渐降低，土壤的有机质和氮素分解比较缓慢，土壤中碳氮储量积累较多, 另一方面，由于海拔高，人类活动对植被和土壤的干扰程度也低，因此，高海拔土壤的碳储量较高。这是因为森林植被与土壤相互作用和相互适应的结果，使得土壤的理化性质基本保持稳定 4。1.1.2 碳同位素在土壤碳循环研究中的运用自然界中碳以 12C、 13C、 14C 等多种同位素的形式存在， 12C、 13C 相对丰度分别为 98.89%、 1.11%；天然物质的碳同位素组成由 13C/12C 比值确定的 13C 表示，以美国南卡罗莱纳州白垩系 Pee Dee 组拟箭石化石 (简称 PDB)作为标准品。碳的同位素早已被用于研究生态系统生物过程中的动力效应和生物圈碳循环过程特征。20 世纪 50 年代以来，浓缩和分析技术的突破，利用 13C 同位素的质量和磁性的同位素效应提供的信息，已广泛用于有机化学反应机理、有机物结构、天然产品生物合成及结构分析研究，酶促反应机理；农肥、农药机理、植物生理、临床诊断、病理试验、药理作用及药物代谢的研究和应用。王丽霞 5等(2005)研究发现有机质碳同位素波动在 2230之间，其碳同位素值与降水量存在显著的线性负相关关系。该研究区土壤 13C 值沿着采样剖面显示出一定的区域差异。表土有机质碳同位素与年降水量的关系以前的研究已经证实，不同光合作用途径的植物有不同的 13C 的变化范围，植物中的有机碳同位素可指示当地的气候状况。土壤中有机碳主要来源于植物残体，根据光合作用可以将植物分为 C3/C4 和 CAM 植物，而这些植物碳同位素值具有明显差异，因此，可以用土壤中有机碳同位素来了解植被的变化和土壤碳循环，而植被状况在很大程度上是由当地的气候决定的，所以，土壤有机质碳同位素也可以指示当地的气候状况。在中国北方干旱半干旱环境中（从 34N43N）年降水量绝大部分都小于 400 mm。该地区的植物类型主要是 C3 植物，C 4 植物的比例不超过 35%；王国安 6(2003)研究了表土中主要由 C4植物转化成的有机质碳同位素与年降水量的关系，发现了在降雨量小于 400mm 的地区，有机质的碳同位素随着年降雨量的增加而减小，在降雨量大于 400mm 的地区，碳同位素随着年降雨量的增加而增加；陈拓 7等(2002)通过研究阜康地 C3 植物有机质碳同位素，发现了该区域 C3 植物碳同位素与年降水量之间存在明显的负相关关系；在该研究区，王丽霞 5等(2005)研究结论表明，表土中的有机质的碳同位素 13C 与年降水量呈显著的负相关关系，相关系数 R2 =0.5592，在中国西北干旱和半干旱地区的纵向剖面上（从 34N43N ） ，表土有机质同位素 13C 和年降水量随纬度变化的大体趋势是一致的，表现为一种中间凸起的弧形。表土中的同位素 13C 和年降水量有很好的相关关系。表土中的同位素 13C 随着年降水量增加而减少，呈负相关关系。在中国北部的黄土高原和内蒙古高原地区，亚洲季风的强弱影响到古气候演变，影响到该地区的植被分布。这种气候的变化（主要是降水量的变化） ，会被植被和土壤中的有机质碳同位素记录，表土中的同位素 13C 对年降水量具有显著的指示作用 5。从对土壤物理性质与土壤有机碳、无机碳进行了整理分析，主要包括土壤粒径含量、土壤容重和土壤孔隙度。发现土壤粒径含量几乎与土壤有机碳和无机碳没有相关性，而其它却都有很好的相关性。土壤容重与有机碳和无机碳的相关性都很明显，但趋势相反。其中容重与土壤有机碳相关性较无机碳相关关系高，而且前者正相关，而后者负相关。同样，土壤总孔隙度与有机碳呈正相关，斜率为 2.1，而与无机碳则呈现指数负相关关系。按照拟合公式计算，当土壤总孔隙度在 40%45%的区间时无机碳下降的幅度达到68.08 g/kg，而当土壤总孔隙度较高时( 如 55%)，相同的变化区间仅仅引起6.7 g/kg 的土壤无机碳变化，这与有机碳的线性变化不同 8。1.2 题目研究的意义及目的土壤是陆地生态系统最大的碳库，它每年向人气中排放的碳将近 1000 亿吨碳，比化石燃料碳排放的十倍还要多，约为大气中 CO2 贮量的 10%。气候因子是影响土壤中碳循环的最主要因素，特别是气候变化将成为未来影响土壤中碳循环的最大自然因素。花岗岩在我国分布极为广泛，在我国河南、福建、广东、山东、黑龙江、辽宁、浙江、吉林等省都贮藏着大量的花岗岩，然而花岗岩的分化成土过程又是一个净碳汇过程，所以花岗岩在全球碳循环中起到举足轻重的作用。据估算，如果气候变暖使土壤有机碳分解加速而使土壤碳贮量减少 10%，就相当于过去 30 年人类活动排放到大气中的 CO2 总量。花岗岩风化形成的土壤中基本不含碳酸盐（无机碳） ，然而土壤有机碳是全球碳库重要组成部分，也是较为活跃的部分，其含量和动态在土壤质量演变和全球碳循环中起着十分重要的作用。土壤有机碳含量及其活性在表征土壤质量方面有着重要意义。然而这种研究一般只是在部分地区和面积较小的范围内，或者是海拔梯度较小的范围内。天然物质的碳同位素组成由 13C/12C 比值确定的 13C 表示，表层土壤中的碳同位素 13C 对年降水量具有显著的指示作用，即表土中的有机质的碳同位素 13C与年降水量呈显著的负相关关系，而剖面土壤中碳同位素能够对输入有机质的来源和分解起到很好的指示作用。因此，研究花岗岩成土剖面土壤有机碳含量和同位素沿纬度变化及其与气候因子的关系是很有必要的。有利于科学认识我国花岗岩地区土壤碳库的含量和迁移转化机制；为区域内生态系统的可持续发展提供科学依据。参考文献：1 刘玉. 花岗岩风化碳汇规律及影响因素研究D.西南大学,2006.2 王长庭 ,龙瑞军,王启基, 等. 高寒草甸不同海拔梯度土壤有机质氮磷的分布和生产力变化及其与环境因子的关系J. 草业学报,2005,04:15-20.3 艾丽,吴建国 ,刘建泉,等 . 土壤有机碳和全氮含量及其与海拔、植被和气候要素的关系以祁连山中段北坡为研究对象J. 中国园艺文摘,2010,03:27-34.4 彭舜磊,王华太,陈昌东,等. 宝天曼自然保护区森林土壤碳氮储量分布格局分析J. 水土保持研究,2015,05:30-34.5 王丽霞 ,汪卫国,李心清, 等. 中国北方干旱半干旱区表土的有机质碳同位素、磁化率与年降水量的关系J. 干旱区地理,2005,03:311-315.6 王国安,韩家懋,刘东生. 中国北方黄土区 C3 草本植物碳同位素组成研究J. 中国科学(D 辑:地球科学),2003,06:550-556.7 陈拓,马健,冯虎元,等. 阜康典型荒漠 C3 植物稳定碳同位素值的环境分析J. 干旱区地理,2002,04:342-345.8 祖元刚,李冉,王文杰,等. 我国东北土壤有机碳、无机碳含量与土壤理化性质的相关性J. 生态学报,2011,18:5207-5216.2 研究内容2.1 不同气候带花岗岩成土土壤有机碳的分布特征 根据我国不同气候带花岗岩分布，选择典型自然林地进行剖面采集，对土壤有机碳的含量及分布特征进行系统研究。2.2 不同气候带花岗岩成土土壤有机碳同位素的分布特征对采集的土壤剖面样品碳同位素分布特征进行分析，揭示不同气候带花岗岩成土土壤有机碳循环和植被变化。2.3 气候对土壤有机碳分布的影响收集采样地环境气候因素，对影响不同气候带花岗岩成土土壤中有机碳分布的主要因素进行分析。3 研究方法和步骤3.1 土壤样品的前处理土壤样品自然风干去除杂质后，粗磨过 10 目（2mm）筛，用四分法缩分，一份取适量用于土壤 pH 值的测定，其余三份混合后继续缩分，将缩分得到的样品用玛瑙研钵充分磨制，过 100 目筛，缩分出的土样待用，剩余样品继续磨制，过200 目筛，缩分出 20g 待用，其余样品装袋，干燥保存备用。基岩样品先洗净晾干，取内部新鲜部分磨制至 200 目待用。3.2 土壤有机碳的测定在进行测试前，先将磨制好的样品置于 70烘箱中加热 48 小时充分干燥。称量和分包样品（20-30mg/样） ，然后用 PE2400 型元素分析仪测