長(zhǎng)期不同施肥下紅壤性水田和旱地土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性差異研究.pdf

1、農(nóng)田土壤固碳不僅能夠減緩氣候變化，而且對(duì)提高土壤肥力和作物生產(chǎn)力具有重要意義。但是，土壤有機(jī)碳只有具備一定的穩(wěn)定性才能長(zhǎng)期有效減緩氣候變化。而且，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性決定其對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)和反饋。大量研究證實(shí)，稻田土壤不僅有機(jī)碳含量高于旱地，而且固碳潛力較大，對(duì)減緩稻作系統(tǒng)的凈溫室效應(yīng)具有重要作用。雖然稻田土壤有機(jī)碳含量高于旱地，但其較高的土壤有機(jī)碳能否長(zhǎng)期保存，即穩(wěn)定性如何，還不十分清楚。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性受環(huán)境條件和有機(jī)碳自身穩(wěn)定

2、機(jī)制的共同控制。稻田土壤有機(jī)碳較低的分解速率究竟是取決于其特殊的淹水條件還是有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制，亦或是二者共同決定，目前還不是很清楚。
　　稻田土壤較高的有機(jī)碳含量可以從兩個(gè)方面來體現(xiàn):一是與相應(yīng)的旱地比;二是通過合理的農(nóng)田管理措施，特別是有機(jī)施肥，提高土壤有機(jī)碳的含量。但是，與相應(yīng)的旱地比，或是有機(jī)培肥后，稻田土壤較高的有機(jī)碳儲(chǔ)量能否長(zhǎng)期保存，其主要的調(diào)控機(jī)制是什么？明確這些問題有利于增強(qiáng)我們對(duì)稻田土壤固碳機(jī)理和有機(jī)碳穩(wěn)定性調(diào)控機(jī)

3、制的認(rèn)識(shí)，研制適宜的土壤固碳減排耕作栽培技術(shù)措施。因此，本研究借助兩個(gè)相鄰的紅壤性水田（雙季稻）和旱地（雙季玉米）長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)，估算水田和旱地有機(jī)碳的輸入量和固碳效率（單位有機(jī)碳投入帶來的固碳量），明確水田較高的有機(jī)碳含量主要是由于有機(jī)碳輸入數(shù)量的增加還是由于固碳效率的提高。其次，采用土壤培養(yǎng)法和化學(xué)氧化分組法，評(píng)價(jià)長(zhǎng)期不同施肥下水田和旱地土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的差異，采用不同的有機(jī)碳分組技術(shù)，揭示長(zhǎng)期不同施肥下水田和旱地土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)

4、制（團(tuán)聚體物理保護(hù)和化學(xué)吸附）的差異。最后，開展不同水分和溫度模式的土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，揭示土壤水分和溫度對(duì)水田和旱地土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的調(diào)控效應(yīng)，明確水田和旱地土壤有機(jī)碳對(duì)未來氣候變化的反饋。主要結(jié)果如下:
　　(1)利用meta分析對(duì)我國(guó)長(zhǎng)期田間試驗(yàn)（＞5年）結(jié)果的分析表明，總體上，長(zhǎng)期不施肥條件下(CK)，我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳和總氮的含量均呈下降趨勢(shì)，但并未達(dá)到顯著水平。長(zhǎng)期化肥氮磷鉀施用(NPK)和有機(jī)無機(jī)肥配施(NPKM)均能顯著

5、提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳和總氮的含量。CK處理下旱地土壤有機(jī)碳含量顯著下降，而水田則呈增加趨勢(shì)，但統(tǒng)計(jì)不顯著。水田扣旱地NPK和NPKM處理土壤有機(jī)碳含量均呈顯著增加趨勢(shì)。水田和旱地各處理土壤有機(jī)碳含量的增加幅度均隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)而提高，但旱地NPK和NPKM處理土壤有機(jī)碳含量在超過20年后無顯著變化，而水田則呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì)。
　　(2)兩個(gè)相鄰的紅壤性水田和旱地長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)表明，與初始值相比，不施肥條件下，長(zhǎng)期旱地種植降低了

6、土壤有機(jī)碳的含量，而長(zhǎng)期水稻種植則大幅提高了土壤有機(jī)碳的含量。無論是水田和旱地，NPKM處理的土壤有機(jī)碳含量顯著高于CK和NPK處理。與CK相比，長(zhǎng)期氮磷鉀配施顯著提高了旱地土壤有機(jī)碳的含量，但是對(duì)水田無顯著影響。水田各處理土壤的固碳效率均高于旱地。無論是水田還是旱地，NPKM處理的土壤固碳效率均顯著低于NPK處理。土壤培養(yǎng)表明（30℃和60％持水量），水田單位土壤碳含量的CO2累積排放量顯著高于旱地，表明水田土壤有枳碳的生物穩(wěn)定性低于

7、旱地。無論是水田還是旱地，與NPK相比，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著降低了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，而CK和NPK處理之間土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性無顯著差異。
　　(3)在化學(xué)氧化法下，水田土壤高活性有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和低活性有機(jī)碳的含量均顯著高于旱地，但惰性有機(jī)碳的含量差異不顯著。無論是水田還是旱地，長(zhǎng)期施肥對(duì)低活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳的含量均無顯著影響，有機(jī)肥施用主要是提高了土壤高活性有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的含量。水田土壤活性碳庫的比例（高活性有機(jī)碳和活

8、性有機(jī)碳）高于旱地。無論是水田還是旱地，有機(jī)肥施用有提高土壤活性碳庫的趨勢(shì)，但差異未達(dá)到顯著水平。因此，化學(xué)氧化法能夠反映不同土地利用方式下（即水田和旱地）土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的差異，但無法揭示出不同施肥方式的效應(yīng)。
　　(4)水田土壤大團(tuán)聚體碳所占的比例顯著高于旱地，而微團(tuán)聚體碳的比例顯著低于旱地。無論是水田還是旱地，大團(tuán)聚體碳的比例均呈以下趨勢(shì):CK＜NPK＜NPKM，而微團(tuán)聚體碳的比例則正好相反。水田和旱地之間以及不同施肥處理之

9、間土壤粘粉粒碳所占的比重均無顯著差異。水田土壤的粘粒含量顯著高于旱地，但不同施肥處理之間差異不顯著。水田土壤游離氧化鐵的含量顯著低于旱地，而不同施肥方式間無顯著差異。
　　(5)不同土壤水分（60％持水量和1 cm淹水層）和不同溫度（20℃和30℃）模式下對(duì)水田和旱地長(zhǎng)期不同施肥處理土壤進(jìn)行的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，增溫顯著提高了單位土壤碳含量的CO2排放量，而淹水顯著降低了單位土壤碳含量的CO2排放量。水田單位土壤碳含量的CO2排放量顯著

10、高于旱地。無論是水田還是旱地，與CK和NPK處理相比，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高了單位土壤碳含量的CO2排放量，而CK和NPK處理之間差異不顯著。僅有水田在20℃和30℃淹水條件下有顯著的CH4排放，增溫顯著提高了單位土壤碳含量的CH4排放量。與CK和NPK處理相比，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高了單位土壤碳含量的CH4排放量。增溫顯著提高了單位土壤碳含量的全球增溫潛勢(shì)。淹水條件下單位土壤碳的全球增溫潛勢(shì)顯著高于有氧條件下。水田土壤單位土壤碳含量的

11、全球增溫潛勢(shì)顯著高于旱地。無論是水田還是旱地，與CK和NPK處理相比，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著增加了單位土壤碳含量的全球增溫潛勢(shì)。
　　(6)淹水條件下，土壤CH4排放對(duì)溫度的敏感性(Q10)顯著高于CO2排放。NPKM處理CH4排放的Q10顯著高于NPK處理。土壤總碳排放的Q10與土壤CO2排放的Q10的變化趨勢(shì)相同:淹水顯著降低了土壤CO2排放的Q10;水田土壤CO2排放的Q10顯著低于旱地;無論是水田還是旱地，NPKM處理土壤CO

12、2排放的Q10顯著低于CK和NPK處理，而CK和NPK處理之間無顯著差異。淹水條件下土壤全球增溫潛勢(shì)的Q10顯著高于有氧條件下。旱地NPKM處理土壤全球增溫潛勢(shì)的Q10顯著小于NPK處理，而水田無顯著差異。土壤總碳排放的Q10與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤總碳排放的Q10與土壤有機(jī)碳的芳香度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與土壤有機(jī)碳中烷氧碳的比例呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
　　因此，水田不僅有機(jī)碳含量較高，而且比旱地具有更強(qiáng)的固碳能力