長期不同施肥下紫色水稻土有機碳變化特征及影響機制.pdf

1、土壤碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本過程，也是溫室氣體的重要的源或匯，在全球氣候和環(huán)境變化中扮演著重要角色。同時，土壤有機碳影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等一系列性質(zhì)和過程，提升土壤有機碳對于維持土壤肥力、提高生產(chǎn)力、確保糧食安全有重要意義。紫色水稻土是我國重要的農(nóng)業(yè)土壤，集中分布在四川盆地，該區(qū)域是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域之一。施肥是影響土壤有機碳變化的重要農(nóng)田管理措施，土壤有機碳的變化是一個相對緩慢的過程，長期試驗是研究土壤有機碳變化、揭示其變

2、化機制的重要平臺。
　　本文利用重慶市北碚區(qū)“國家紫色土肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測基地”的長期定位施肥試驗，選取水稻-小麥輪作體系不施肥（CK）、單施氮肥（N）、磷鉀配施（PK）、氮鉀配施（NK）、氮磷配施（NP）、氮磷鉀配施（NPK）、氮磷鉀配施+秸稈還田（NPKS）、高量氮磷鉀配施+秸稈還田（1.5NPKS）和氮磷鉀配施+畜禽糞尿肥（NPKM）處理，利用保存的歷史土壤樣品和歷年的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，通過分析土壤有機碳的時間序列變化，計算土壤

3、固碳量、碳輸入量和固碳效率，明確不同施肥處理下紫色水稻土的固碳特征；采用粒徑、密度、化學(xué)分組方法，研究長期不同施肥下紫色水稻土有機碳不同活性和穩(wěn)定性組分的變化，明確長期施肥對土壤有機碳質(zhì)量的影響以及礦物化學(xué)保護機制；利用穩(wěn)定性同位素和核磁共振技術(shù)，研究團聚體有機碳的結(jié)構(gòu)和周轉(zhuǎn)特征，揭示施肥影響紫色水稻土有機碳的生物化學(xué)保護機制；結(jié)合團聚體分組與核磁共振、穩(wěn)定性同位素技術(shù)，研究長期施肥對不同粒徑團聚體有機碳數(shù)量和性質(zhì)的影響，探討團聚體與有

4、機碳周轉(zhuǎn)的關(guān)系以及施肥影響有機碳的團聚體保護機制；為促進(jìn)紫色水稻土固碳、提高土壤生產(chǎn)力、實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　1.長期不同施肥下紫色水稻土有機碳變化特征
　　22年長期不同施肥顯著影響了紫色水稻土有機碳含量及儲量，有機肥與化肥配施土壤有機碳含量顯著高于化肥和不施肥處理，有機肥與化肥配合施用的土壤有機碳含量比試驗前提高18％-25%，其中化肥配施秸稈還田處理提升效果優(yōu)于化肥配施廄肥處理；單

5、施化肥的各處理土壤有機碳含量與試驗前相比總體上穩(wěn)中有升，以氮磷和氮磷鉀配施提高幅度最大（比試驗前提高16%）。從演變趨勢上看，不施肥 CK、N、PK處理土壤有機碳含量與試驗前差異不大，在低水平上保持平衡；其他處理有機碳隨著試驗?zāi)晗蘅焖偬岣摺?br>　　土壤固碳量、碳輸入量和固碳效率結(jié)果表明，22年有機肥與化肥無機配合施用處理土壤固碳量和速率分別為5.4-8.3t/ha和244-378t/ha/yr；化肥處理土壤固碳量為6.6-7.1t/

6、ha，固碳速率為302-322kg/ha/yr。相對于不施肥和化肥偏施處理，氮磷鉀化肥平衡施用以及化肥配施有機肥通過提高作物根茬等有機碳?xì)w還量，提高了土壤有機碳儲量、固碳量和固碳速率。土壤有機碳存在飽和和平衡水平，有機碳投入存在報酬遞減率，隨有機碳輸入量提高，土壤固碳的邊際效率逐漸下降。
　　長期施肥顯著提高水稻和小麥產(chǎn)量，稻麥產(chǎn)量與土壤有機碳含量呈顯著的正相關(guān)，土壤有機碳含量每提升1 g/kg，水稻籽粒產(chǎn)量提高627 kg/ha

7、，小麥提高313 kg/ha?？梢姡袡C肥與化肥配合施用，是促進(jìn)紫色水稻土固碳和產(chǎn)量提升的重要施肥管理措施。
　　2.長期不同施施肥對紫色水稻土有機碳組分的影響
　　長期不同施肥比不施肥提高了有機碳各活性組分的含量，改善了土壤有機碳質(zhì)量?；逝涫┙斩掃€田效果最佳，溶解性有機碳（DOC）、易氧化有機碳（POXC）、輕組有機碳（LF-C）顆粒態(tài)有機碳（POM-C）分別比不施肥提高了30.5%、43.8%、59.5%和19.3%。

8、土壤有機碳各活性組分與總有機碳含量呈顯著正相關(guān)，是反映總有機碳變化的敏感指標(biāo)。
　　長期施肥比不施肥提高了有機碳穩(wěn)定性組分的含量，包括礦物結(jié)合態(tài)有機碳（MOM-C）、重組有機碳（HF-C）及不同化學(xué)結(jié)合態(tài)有機碳，化肥配施秸稈還田提高幅度最大。鐵鋁鍵結(jié)合態(tài)有機碳（Fe/Al-OC）和胡敏素態(tài)有機碳（Humin-OC）的變化解釋了總有機碳變化的43.1%和48.0%，二者之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤有機碳通過鐵鋁離子及氧化物的化學(xué)保護

9、，進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的胡敏素，是紫色水稻土有機碳累積的重要機制。
　　3.長期不同施肥對紫色水稻土團聚體有機碳的影響
　　紫色水稻土團聚體分布以微團聚體（250-53μm）為主，其次為大團聚體（>250μm）和粉粘組分（<53μm）。與不施肥相比，長期施肥促進(jìn)了大團聚體形成，大團聚體的重量比例增加，微團聚體比例下降，團聚體平均重量直徑增加，團聚體穩(wěn)定性提高。長期施肥強化了團聚體對有機碳的物理保護。
　　長期施肥提高了各

10、粒徑團聚體有機碳和活性有機碳含量，化肥配施秸稈還田提升幅度最高。土壤總有機碳含量與大團聚體、微團聚體和粉粘組分有機碳呈顯著正相關(guān)，表明有機碳的累積取決于各粒徑團聚體有機碳的變化；各粒徑團聚體對總有機碳變化的貢獻(xiàn)以大團聚體最大，其次微團聚體，粉粘組分最小。大團聚體和微團聚體的物理保護作用在土壤固碳中起著重要作用，不同處理間大團聚體有機碳變化幅度最大，對施肥的響應(yīng)敏感，而微團聚體重量比例最高，是土壤固碳的主要場所。
　　4.長期不同施

11、肥對土壤有機碳結(jié)構(gòu)和周轉(zhuǎn)的影響
　　利用穩(wěn)定性同位素和核磁共振分析技術(shù)，研究長期不施肥 CK、氮磷鉀配施 NPK、化肥配施秸稈 NPKS對總有機碳和團聚體有機碳的周轉(zhuǎn)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。穩(wěn)定性同位素分析表明，長期施肥后土壤δ13C值比試驗初降低，趨向于水稻和小麥植株的δ13C值，表明施肥促進(jìn)有機物歸還及秸稈還田，促進(jìn)了土壤有機碳的周轉(zhuǎn)。NPK和 NPKS處理大團聚體、微團聚體和粉粘組分有機碳δ13C值均比不施肥降低，NPKS處理降低

12、幅度更大，施肥促進(jìn)了各粒徑團聚體有機碳的周轉(zhuǎn)。
　　核磁共振結(jié)果表明，紫色水稻土烷氧碳相對含量最高，其次為烷基碳，芳香碳和羰基碳比例較小，表明土壤有機質(zhì)是脂族本質(zhì)，而非芳香本質(zhì)。與不施肥土壤相比，長期施肥提高了耕層土壤有機碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但降低了下層土壤有機碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。耕層土壤NPK處理烷氧碳降低、芳香碳和羰基碳增加，烷基碳/烷氧碳比和芳香度提高；NPKS處理烷基碳增加、烷氧碳降低，烷基碳/烷氧碳比提高。NPK和NPKS處理對

13、下層土壤的影響一致，烷氧碳提高，烷基碳、芳香碳和羰基碳含量降低，烷基碳/烷氧碳比和芳香度下降，NPKS處理變化幅度大于NPK處理。
　　團聚體有機碳結(jié)構(gòu)分析表明，長期施肥主要通過微團聚體和粉粘組分的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高耕層土壤總有機碳的穩(wěn)定性，微團聚體和粉粘組分有機碳結(jié)構(gòu)與總有機碳變化一致，而大團聚體烷基碳下降、烷氧碳增加、烷基碳/烷氧碳比降低、芳香度增加。長期施肥對下層土壤各粒徑團聚體有機碳結(jié)構(gòu)的影響與總有機碳一致，表現(xiàn)為烷基碳含量下