南方典型稻田土壤有機碳固定機制研究——基于長期試驗及跨地域統(tǒng)計分析.pdf

1、農業(yè)土壤固碳作為《京都協(xié)議書》認可的固碳措施之一，對穩(wěn)定生產力和應對氣候變化具有雙贏的積極效應。國際農業(yè)土壤固碳研究也一直十分活躍。目前對土壤固碳的容量及庫間的分配、轉化與穩(wěn)定已經積累了大量的研究資料和認識，并隨著現(xiàn)代有機質分析技術的發(fā)展已經深入到分子水平的固碳機理研究。目前關于不同農業(yè)管理措施下土壤有機碳及其組分的分布已有較多的研究報道，而稻田土壤作為我國特色的耕作土壤，其固碳潛力較大，固碳效應明顯，在我國應對氣候變化中具有舉足輕重的

2、作用。因此，闡明稻田土壤固碳的機理對于發(fā)展增產和減排共贏的稻作農業(yè)技術，增強稻作農業(yè)應對氣候變化的能力具有重要意義。本研究以我國南方典型稻田土壤為對象，采用典型系統(tǒng)解剖和跨地域統(tǒng)計分析，研究長期試驗體系中不同施肥管理下土壤有機碳含量變化及其團聚體有機碳組分分配的變化，并以活性有機碳組分-顆粒有機碳為代表，解剖稻田土壤有機質積累中有機碳組分的化學穩(wěn)定機制，以闡明有機碳變化與環(huán)境因素、作物生產的關系，揭示有機碳積累中不同組分的轉化特點，詮釋

3、稻田土壤有機碳固定中物理保護-化學結合和穩(wěn)定的作用，充實稻田土壤有機碳固定機制的認識。并在此基礎上通過試驗探討有機碳固定的途徑和方法，為國家發(fā)展可持續(xù)稻作農業(yè)和固碳減排技術提供依據(jù)。主要研究結果如下：
　　 一、顆粒有機碳的積累是指示稻田土壤固碳的敏感性指標
　　 以太湖地區(qū)黃泥土為例，研究了長期不同施肥下顆粒有機碳(POC)的含量變化。結果表明：本體土壤(bulk soil)中TOC和POC的深度分布均符合冪函數(shù)方程（

4、Y=aX-b）。不同的施肥處理主要影響耕層土壤的TOC和POC含量及其分配比例，而并未改變其深度分布格局。有機無機肥配施下由于有機物質的輸入其TOC和POC含量顯著高于其它處理。另外，太湖地區(qū)黃泥土的水穩(wěn)性團聚體(WSAs)組成以＞2mm和2-0.25mm粒徑為主，施肥下＞2mm粒徑的WSAs顯著增加，并伴隨2-0.25mm粒徑的明顯減少。POC主要存在于＞2mm粒徑的WSAs中，并隨著團聚體粒徑的減小而明顯減少。＞2mm粒徑WSAs中

5、的POC對施肥的響應較為敏感，以化肥與秸稈配施下該粒徑的POC積累最為明顯.而化肥與豬糞配施則顯著增加了2-0.25mm和0.25-0.053mm粒徑的POC含量。土壤不同層次WSAs中POC的來源不同，在0-5cm表層可能主要來源于作物生物量的輸入，而在5-15cm土層則可能跟外源有機物的施入有關.
　　 二、稻田土壤固碳存在著粗團聚體的物理保護及氧化鐵的化學結合機制
　　 在本課題組對長期試驗下紫泥田、紅泥砂田和太湖

6、地區(qū)黃泥土團聚體顆粒組SOC及其鍵合形態(tài)分析數(shù)據(jù)的基礎上，運用跨區(qū)域分析探討稻田土壤固碳的團聚體物理保護和氧化鐵化學結合機制.結果表明：直徑為2000-200μm的粗團聚體作為新增有機碳的主要載體，隨長期不同耕作和施肥的變化最為強烈，其中又以紅泥砂田的有機碳(SOC)變化最為明顯，說明其良好管理下的有機碳累積效應最為顯著。統(tǒng)計分析表明，本體土壤SOC積累量與2000-200μm粗團聚體SOC積累量之間的關系可用拋物線方程擬合（R2=0.

7、95,n=8）.長期試驗下粗團聚體對新固定有機碳的物理保護可能存在某種飽和機理。計算表明，供試稻田土壤的粗團聚體物理保護在長期試驗期內還未達到其飽和限。同時，紅泥砂田的粗團聚體保護作用最強，仍然具有明顯的固碳潛力。
　　 三、有機質分子結構穩(wěn)定是稻田土壤顆粒有機碳穩(wěn)定積累的重要化學穩(wěn)定機制
　　 采用固體交叉極化魔角自旋13C核磁共振(CPMAS13C-NMR)波譜技術對長期不同施肥下紅泥砂田和太湖地區(qū)黃泥土POC的化學

8、結構特征進行了研究，以揭示稻田土壤固碳的化學穩(wěn)定機制。結果表明，本體土壤和WSAs中POC的結構組成相似，主要以烷氧C為主，其次為烷基C和芳香C。施肥改變了本體土壤POC各類C原子的相對含量，化肥配施有機肥下烷氧C明顯降低，伴隨芳香C和酚基C不同程度的增加，使得芳香度和疏水性增強，表明POC的穩(wěn)定性增強；而單施化肥下烷氧C最高，烷基C和芳香C均最低，導致芳香度和疏水性降低，從而POC的穩(wěn)定性減弱。施肥還改變了太湖地區(qū)黃泥土WSAs中PO

9、C不同C原子的相對含量，使得POC對團聚體的穩(wěn)定性作用發(fā)生變化。而紅泥砂田WSAs中POC各類C原子的分配并未明顯受到施肥的影響。
　　 而運用熱裂解氣相質譜（Pyr-TMAH-GC/MS）技術對太湖地區(qū)黃泥土POC的結構特征進行的進一步研究表明，各施肥處理下POC的熱裂解產物主要以脂肪族化合物和木質素類化合物為主。脂肪族化合物主要為C8-C30脂肪酸酯（FAMEs），且大多為偶數(shù)碳結構。施肥改變了各裂解產物在本體土壤和WSAs

10、中的分布，從而使得不同施肥處理下各類化合物對POC穩(wěn)定性的貢獻出現(xiàn)了差異?；逝涫┴i糞下木質素類化合物以及微生物源的脂肪族化合物均貢獻于本體土壤POC的積累與穩(wěn)定，而化肥配施秸稈下本體土壤POC的化學穩(wěn)定性主要歸因于高等植物源和微生物源脂肪族化合物的共同貢獻。化肥配施有機肥下WSAs中較高的POC主要歸因于植物源有機質的分解貢獻而非微生物本身。本研究揭示了化肥配施有機肥下POC的疏水性組分在提高其化學抗性和穩(wěn)定性中的重要作用。
　

11、　 四、合理的施肥措施促進稻田土壤作物碳同化和與土壤碳固定效應
　　 在稻田土壤內部有機碳固定機制研究的基礎上，為了進一步探討稻田土壤固碳的土壤-作物系統(tǒng)關系，以太湖地區(qū)黃泥土的長期肥料定位試驗為典型案例，分析了不同施肥處理對作物碳同化及土壤碳固定的影響。結果表明，施肥對水稻產量有顯著影響，尤其以有機無機肥配施處理水稻產量顯著最高且最為穩(wěn)定。施肥顯著提高了耕層土壤碳密度，固碳速率以有機無機肥配施處理顯著高于單施化肥處理。相關性

12、分析表明，土壤固碳速率與作物輸入碳+有機肥源碳的總輸入量呈顯著的線性正相關關系。這提示土壤有機碳積累主要與作物產量有關，而并非依變于有機肥源碳輸入。因此，與作物產量直接關聯(lián)的作物碳輸入的增加是提高土壤碳固定的重要途徑。肥料N素對水稻碳同化和土壤碳固定的效應均為化肥配施有機肥處理顯著高于單施化肥處理。這揭示化肥配施有機肥是提高與穩(wěn)定稻田生產力和促進土壤固碳與溫室氣體減排的雙贏措施。
　　 五、外源碳輸入貢獻于稻田土壤的有效固碳，但

13、因土壤類型而異
　　 在對太湖地區(qū)黃泥土施肥下作物碳同化與土壤碳固定案例分析的基礎上，通過收集我國南方4種典型稻田土壤（紫泥田、紅泥砂田、太湖地區(qū)黃泥土和青紫泥）長期不同施肥下的土壤有機碳及作物產量的年際數(shù)據(jù)，進一步分析不同類型稻田土壤固碳的土壤-作物關聯(lián)機制。結果表明：不同施肥處理下的土壤年均固碳量線性依存于年均碳輸入增量，施肥措施主要通過增加外源碳輸入來促進土壤的有效固碳，單位碳輸入增加下以紫泥田和紅泥砂田的年均固碳量相對較

14、高。良好施肥下的飽和固碳量以紅泥砂田的明顯最高，其次為青紫泥。統(tǒng)計分析表明，施肥下不同類型稻田土壤的固碳效率（碳輸入增量與土壤固碳的線性關系斜率）主要受到初始有機碳水平的控制，而與黏粒之間的相關性并不明顯。不同類型稻田土壤的飽和固碳量與游離氧化鐵以及降水量之間有著密切的正相關關系.可見，稻田土壤中活躍的氧化鐵對土壤碳儲量的提高起著積極的促進作用，而黏粒并非土壤固碳的控制因子.施肥下稻田土壤的有效固碳還促進了肥料N素的農學效率。氣候可能是

15、影響稻田土壤碳儲量變化的另一主導因子.
　　 六、稻田土壤氧化鐵可有效輔助農業(yè)固碳減排
　　 在固碳機理研究的基礎上，通過選取水稻秸稈、豬糞、污泥和顆粒有機肥，添加氧化鐵后分別進行室內好氣培養(yǎng)(25℃)和田間填埋礦化（夏季），以探索農業(yè)固碳減排的技術途徑。結果表明：好氣培養(yǎng)條件下，氧化鐵明顯降低了水稻秸稈、豬糞、污泥和顆粒有機肥的CO2釋放速率，整個培養(yǎng)期間的CO2累積釋放量分別由未添加氧化鐵的10934.45、5426

16、.12、5288.43和794.90mg CO2-C kg-1降低為添加氧化鐵的125.47、1535.15、1473.36和498.72 mg CO2-C kg-1，以水稻秸稈的效果最為顯著。田間填埋條件下，除了顆粒有機肥的有機碳降解速率基本未受氧化鐵影響外，其余三種有機物料在每一取樣階段的有機碳降解速率均受到了氧化鐵的有效抑制。填埋90天后，水稻秸稈、豬糞和污泥的有機碳降解速率分別由未添加氧化鐵的34.06％、14.91％和19.9

17、0％，降低為添加氧化鐵的24.25％、9.45％和14.24％，也以水稻秸稈的效果最為明顯?？梢姡瑹o論是室內好氣培養(yǎng)還是田間填埋礦化，氧化鐵均表現(xiàn)出對有機物料礦化降解的有效抑制作用，具有明顯的有機碳固持能力。
　　 綜上所述，稻田土壤有機碳的固定機制主要表現(xiàn)為團聚體物理保護、氧化鐵化學結合和分子結構化學穩(wěn)定的共同作用，從而構成稻田土壤特色的固碳機理。而黏粒保護理論并不足以解釋普遍觀察到的稻田土壤有機碳快速積累的原因。并且，這種固

18、定的有機碳主要來源于外源碳輸入的貢獻，但是這種貢獻也因土壤類型和土壤組成分的不同而異，進而影響到稻田土壤固碳的飽和趨勢。外源碳輸入貢獻與稻田土壤內在的有機碳固定機制相輔相成，共同促進稻田土壤碳儲量和固碳潛力的提高。今后還需加強對較大區(qū)域尺度和氣候背景下的有機碳固定機制的研究，以區(qū)分不同的固碳機制在不同類型土壤中的相對重要性和相對貢獻，并探討氣候在農業(yè)土壤固碳中的作用。另外，加強固碳機制基礎上固碳技術的開發(fā)研究，以尋求快速有效的固碳方法與