長(zhǎng)期不同施肥下紫色水稻土有機(jī)碳變化特征及影響機(jī)制.pdf

1、土壤碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本過(guò)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(shí)，土壤有機(jī)碳影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等一系列性質(zhì)和過(guò)程，提升土壤有機(jī)碳對(duì)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(guó)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(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域之一。施肥是影響土壤有機(jī)碳變化的重要農(nóng)田管理措施，土壤有機(jī)碳的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，長(zhǎng)期試驗(yàn)是研究土壤有機(jī)碳變化、揭示其變

2、化機(jī)制的重要平臺(tái)。
　　本文利用重慶市北碚區(qū)“國(guó)家紫色土肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測(cè)基地”的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，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(guò)分析土壤有機(jī)碳的時(shí)間序列變化，計(jì)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(zhǎng)期不同施肥下紫色水稻土有機(jī)碳不同活性和穩(wěn)定性組分的變化，明確長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量的影響以及礦物化學(xué)保護(hù)機(jī)制；利用穩(wěn)定性同位素和核磁共振技術(shù)，研究團(tuán)聚體有機(jī)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(jī)碳的生物化學(xué)保護(hù)機(jī)制；結(jié)合團(tuán)聚體分組與核磁共振、穩(wěn)定性同位素技術(shù)，研究長(zhǎng)期施肥對(duì)不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳數(shù)量和性質(zhì)的影響，探討團(tuán)聚體與有

4、機(jī)碳周轉(zhuǎn)的關(guān)系以及施肥影響有機(jī)碳的團(tuán)聚體保護(hù)機(jī)制；為促進(jìn)紫色水稻土固碳、提高土壤生產(chǎn)力、實(shí)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(zhǎng)期不同施肥下紫色水稻土有機(jī)碳變化特征
　　22年長(zhǎng)期不同施肥顯著影響了紫色水稻土有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量，有機(jī)肥與化肥配施土壤有機(jī)碳含量顯著高于化肥和不施肥處理，有機(jī)肥與化肥配合施用的土壤有機(jī)碳含量比試驗(yàn)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(jī)碳含量與試驗(yàn)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(yàn)前提高16%）。從演變趨勢(shì)上看，不施肥 CK、N、PK處理土壤有機(jī)碳含量與試驗(yàn)前差異不大，在低水平上保持平衡；其他處理有機(jī)碳隨著試驗(yàn)?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(jī)肥與化肥無(wú)機(jī)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(duì)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(jī)肥通過(guò)提高作物根茬等有機(jī)碳?xì)w還量，提高了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、固碳量和固碳速率。土壤有機(jī)碳存在飽和和平衡水平，有機(jī)碳投入存在報(bào)酬遞減率，隨有機(jī)碳輸入量提高，土壤固碳的邊際效率逐漸下降。
　　長(zhǎng)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(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)，土壤有機(jī)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。可見(jiàn)，有機(jī)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(zhǎng)期不同施施肥對(duì)紫色水稻土有機(jī)碳組分的影響
　　長(zhǎng)期不同施肥比不施肥提高了有機(jī)碳各活性組分的含量，改善了土壤有機(jī)碳質(zhì)量。化肥配施秸稈還田效果最佳，溶解性有機(jī)碳（DOC）、易氧化有機(jī)碳（POXC）、輕組有機(jī)碳（LF-C）顆粒態(tài)有機(jī)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(jī)碳各活性組分與總有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，是反映總有機(jī)碳變化的敏感指標(biāo)。
　　長(zhǎng)期施肥比不施肥提高了有機(jī)碳穩(wěn)定性組分的含量，包括礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOM-C）、重組有機(jī)碳（HF-C）及不同化學(xué)結(jié)合態(tài)有機(jī)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(jī)碳（Fe/Al-OC）和胡敏素態(tài)有機(jī)碳（Humin-OC）的變化解釋了總有機(jī)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(jī)碳通過(guò)鐵鋁離子及氧化物的化學(xué)保護(hù)

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(jī)碳累積的重要機(jī)制。
　　3.長(zhǎng)期不同施肥對(duì)紫色水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響
　　紫色水稻土團(tuán)聚體分布以微團(tuán)聚體（250-53μm）為主，其次為大團(tuán)聚體（>250μm）和粉粘組分（<53μm）。與不施肥相比，長(zhǎng)期施肥促進(jìn)了大團(tuán)聚體形成，大團(tuán)聚體的重量比例增加，微團(tuán)聚體比例下降，團(tuán)聚體平均重量直徑增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高。長(zhǎng)期施肥強(qiáng)化了團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)。
　　長(zhǎng)期施肥提高了各

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

11、肥對(duì)土壤有機(jī)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(zhǎng)期不施肥 CK、氮磷鉀配施 NPK、化肥配施秸稈 NPKS對(duì)總有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)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(zhǎng)期施肥后土壤δ13C值比試驗(yàn)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(jī)物歸還及秸稈還田，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。NPK和 NPKS處理大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉粘組分有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。
　　核磁共振結(jié)果表明，紫色水稻土烷氧碳相對(duì)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(jī)質(zhì)是脂族本質(zhì)，而非芳香本質(zhì)。與不施肥土壤相比，長(zhǎng)期施肥提高了耕層土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但降低了下層土壤有機(jī)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(duì)

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(tuán)聚體有機(jī)碳結(jié)構(gòu)分析表明，長(zhǎng)期施肥主要通過(guò)微團(tuán)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(jī)碳的穩(wěn)定性，微團(tuán)聚體和粉粘組分有機(jī)碳結(jié)構(gòu)與總有機(jī)碳變化一致，而大團(tuán)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(zhǎng)期施肥對(duì)下層土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響與總有機(jī)碳一致，表現(xiàn)為烷基碳含量下