中國農(nóng)田土壤碳氮變化及氮素對稻麥作物固碳效益的影響.pdf

1、為緩解溫室氣體引起的氣候變暖，對減排增匯技術(shù)的研究已成為目前全球變化領(lǐng)域新的熱點(diǎn)。對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言，提高土壤碳的固定與收集，不僅可降低環(huán)境壓力，而且對糧食安全亦具極其重要的意義。清楚認(rèn)識和客觀評價(jià)我國農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳貯量的演變趨勢及其成因，對我國制訂合理的減排增匯措施無疑是至關(guān)重要的。 氮肥施用被認(rèn)為是提高作物生物量和產(chǎn)量的最為有效的途徑，而目前我國多數(shù)地區(qū)氮肥的過量施用不僅導(dǎo)致其利用率下降，還帶來一系列的環(huán)境問題。理解氮

2、素營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)植被呼吸作用的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上評價(jià)氮肥投入對作物固碳效益的影響，將有助于全球變化背景下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合研究的開展。 本研究目的是：初步闡明我國1980-2000年農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量的變化，為制定耕地土壤管理政策、促進(jìn)土壤碳固持和減少碳損失提供依據(jù)；以華東地區(qū)為例，初步闡明我國區(qū)域農(nóng)田土壤氮貯量的變化，及與有機(jī)碳變化的關(guān)系；闡明氮素營養(yǎng)與作物呼吸作用的關(guān)系；探討氮肥施用對作物固碳效益的影響。 本研

3、究采用文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)研究的方法。通過對中國期刊網(wǎng)和維普科技期刊網(wǎng)收錄文獻(xiàn)的檢索，獲得全國1993年以來關(guān)于區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化測定結(jié)果及演變趨勢的文獻(xiàn)，運(yùn)用數(shù)據(jù)整合分析方法(meta-analvsis)探討我國農(nóng)田土壤碳貯量和區(qū)域農(nóng)田氮貯量變化。試驗(yàn)研究則采用盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)相結(jié)合的方法，定量研究氮素營養(yǎng)對作物呼吸作用和氮肥施用對作物固碳的影響。盆栽試驗(yàn)設(shè)定常規(guī)、不同施氮水平、不同種植密度、不同播種期處理。大田試驗(yàn)處理為不同施氮水平

4、。本研究氣樣的采集和分析采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。作物呼吸系數(shù)(R<,α'>，單位生物量呼吸作用的CO<,2>排放量)通過逐步收割法獲得。 研究結(jié)果顯示：1980～2000年間占我國農(nóng)田面積53％-59％的土壤有機(jī)碳呈明顯增加趨勢。華東和華北地區(qū)增加最為明顯，東北地區(qū)呈總體下降趨勢。20年間全國農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量增加了408-546Tg，其中表土(20cm)增加量為311-401Tg。水稻土和潮土有機(jī)碳增加明顯，黑土下降顯

5、著。20年來，我國農(nóng)田水稻土有機(jī)碳增加230-297Tg，潮土增加68-73Tg，黑土減少62-67Tg。 1980-2000年華東區(qū)(不包括山東省)土壤全氮貯量增加了12.7-27.8Tg，其 中表土的增加量為10.6～19.7 Tg。土壤全氮含量與有機(jī)碳含量的增加趨勢一致，二者關(guān)系可以用線性方程△TN=0.051△SOC+0.007(R<'2>=0.27，p<0.001)描述。20年來華東區(qū)農(nóng)田土壤碳氮比基本保

6、持穩(wěn)定。 氮素營養(yǎng)顯著影響作物植株呼吸作用。稻麥作物呼吸系數(shù)(R<,α>)與植株氮(N)含量的關(guān)系可用方程R<,α>=4.74N-1.45(R<'2>=0.85，p<0.001)來定量表述。用方程RA=(4.74N-1.45)xQ<,10><'(T-25)/10>xW模擬的作物呼吸量(RA)與大田測定結(jié)果一致。用國際上著名的作物模擬模型估算的稻麥作物維持性呼吸與用此方程模擬的結(jié)果具有可比性，而采用陸地生態(tài)系統(tǒng)模型(TEM)

7、估算的結(jié)果則遠(yuǎn)高于本項(xiàng)研究，TEM用于估算農(nóng)業(yè)植被的呼吸作用可能是不適合的。作物生長是影響土壤呼吸作用的重要因素，根系的參與極大地促進(jìn)了土壤呼吸，小麥根起源呼吸對土壤呼吸的貢獻(xiàn)高于水稻。 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N肥施用在提高生產(chǎn)力的同時(shí)，也促進(jìn)了作物的呼吸作用。隨著施肥量的增加，作物的生物量和呼吸量均不斷增加，但二者的增加程度并不一致。此差異不僅受施氮量的影響，還與施氮量的基數(shù)有關(guān)。在較低的氮肥施用水平下，增施同量的氮肥，作物生物

8、量的增加高于呼吸量的增加，而隨著施氮量基數(shù)的增加，二者趨于接近，在較高施氮量下，作物呼吸量的增加將最終超過生物量的增加，從而使得氮肥的有效性下降。若用作物的固碳效益，即新生成組織占總固碳量的比例來反映施肥對生物量和呼吸量變化的綜合影響，則作物的固碳效益隨施肥量的增加而下降。 本研究通過大樣本空間數(shù)據(jù)的分析，得到中國農(nóng)田土壤碳匯功能歷史演變研究的全新結(jié)果，明確了1980～2000年中國農(nóng)田土壤的碳匯功能，糾正了國際同行上世

9、紀(jì)90年代關(guān)于中國農(nóng)田土壤有機(jī)碳下降的結(jié)論。本研究首次基于數(shù)據(jù)整合分析方法評價(jià)了我國華東地區(qū)農(nóng)田土壤全氮貯量的變化，這對保持華東區(qū)糧食穩(wěn)產(chǎn)和土壤有機(jī)碳的收集均具有重要意義。本研究提出了氮素營養(yǎng)與作物呼吸作用的定量關(guān)系，評價(jià)了不同施N量對作物固碳的影響；指出當(dāng)施N量超過某一限度時(shí)，因作物呼吸而損失的C將超過凈固定的C，從CO<,2>源匯這一引人關(guān)注的側(cè)面，說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)合理施肥的重要性。本研究將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)與N循環(huán)耦合起來，為客觀