黄土旱塬长期施肥条件下土壤有机碳平衡研究

土壤有机碳（Soil organic C, SOC）是陆地生态系统碳循环的重要组成成分。有机物向土壤中的输入、SOC积累与碳排放是土壤碳循环的重要组成部分。提高SOC积累,减少土壤CO2排放对保持农业可持续发展、缓解大气CO2浓度升高具有重要作用。黄土高原为我国典型的雨养农业区和生态脆弱区。上世纪八十年代以来,肥料投入成为调控作物产量和土壤养分的主要手段。但迄今为止,关于施肥措施对SOC循环过程的调控机制尚不完全清楚。本文以设立于黄土旱塬区长期肥料定位试验（始于1984年）为平台,以不同施肥措施为对象,从作物碳同化、SOC积累和土壤碳排放的角度,系统研究了农田作物固碳能力,SOC积累和CO2排放变化,并讨论了施肥措施对这一过程的影响。 研究共选取了11个处理。（1）长期化肥试验场选用了5个处理:N0、N45、N90、N135、N180(字母下标数字为施氮量kgN·hm-2,底肥同一施磷39kgP·hm-2)。（2）在长期轮作培肥试验场选取了6个处理:休闲处理（简称F）、不施肥处理（简称CK）、氮肥处理（N）、氮磷配施（NP）、有机肥处理（M）、化肥有机肥配施（NPM）。两个长期试验的作物均为冬小麦连作。主要结果如下: 长期施肥（1984～2007）显著提高了耕层（0～20cm）SOC的含量,促进了SOC的积累。试验期间,不施氮肥处理SOC含量稳定在6.5g·kg-1水平。与对照（N0）相比, N45、N90、N135、N180处理SOC含量分别提高到7.0、7.2、7.3、7.3 g·kg-1。与N0处理相比,23年期间N45、N90、N135、N180处理耕层SOC库分别积累了1.3、1.8、2.1、2.2 ton·hm-2,年提高速率依次为57、78、90、96kgC·hm-2·a-1,增施1kgN·hm-2氮肥可使SOC提高1.2 kg·hm-2。有机肥（M）和化肥有机肥配施处理情况下,耕层SOC含量由1984年的6.5 g·kg-1升高为10.8、11.0 g·kg-1,耕层SOC库分别积累了8.6、9.5 ton·hm-2,年提高速率依次为373、413 kgC·hm-2。23年期间,休闲处理SOC由6.5 g·kg-1缓慢降低到5.9 g·kg-1,SOC储量降低了1.09ton·hm-2。试验期间因施肥积累的SOC主要分配在>5mm水稳性团聚体中。 施肥提高了作物地上部固碳能力,增加了有机物（根茬碳）归还土壤,为SOC的积累提供了基础。与N(015.8μmolCO2·m-2·s-1)相比,N45净光合速率(17.6μmolCO2·m-2·s-1)提高了11.4%,N90(18.5μmolCO2·m-2·s-1)提高了17.1%,N135(19.2μmolCO2·m-2·s-1)提高21.5%,N180(19.4μmolCO2·m-2·s-1)提高22.8%。与N0(2169kgC·hm-2)相比,N45、N90、N135和N180处理收获期作物地上部分碳积累量和根茬碳还田量较N0(0.45tonC·hm-2·a-1)分别提高了100%、142%、167%和183%。有机肥处理（M）,尤其是化肥有机肥配施（NPM）处理叶片净光合速率,与对照(CK,16.8μmolCO2·m-2·s-1)相比,分别提高了19.6%、29.6%。地上部分碳积累比对照(2129 kgC·hm-2)分别提高了167%、184%,进入土壤中的有机碳量（根茬碳+有机肥碳）显著增加(CK,0.56 tonC·hm-2·a-1;M,1.77 tonC·hm-2·a-1;NPM,2.29 tonC·hm-2·a-1)。SOC含量与输入有机碳量（根茬碳+有机肥碳）存在极显著的线性相关关系（方程为:Y=2.3393x+5.2747,R2=0.87**,n=11 ）。施肥增加了地上部分碳积累和根茬碳的还田量,进而促进SOC积累,提高SOC储量。每年输入（根茬+有机肥）1t的有机碳,其转化为SOC的量大约为0.23t。 增施化肥促进土壤CO2的排放。N0土壤呼吸的年平均值为1.19μmolCO2·m-2·s-1,氮肥施用量90kgN·hm-2时,再增施氮肥,土壤呼吸速率无显著变化( N90 ,1.87μmolCO2·m-2·s-1、N135,1.89μmolCO2·m-2·s-1),当氮肥施用量增加至180kgN·hm-2时,土壤呼吸速率(1.72μmolCO2·m-2·s-1)低于N90、N135。同样施氮水平对土壤CO2的排放量也呈抛物线形变化,年排放量依次为1608、1993、2483、2585、2354gCO2·m-2·a-1。尽管施肥促进了土壤CO2的排放,但同样施肥条件下,与对照（N0）相比,作物地上部碳积累的提高幅度更大。与N0相比(2169kgC·hm-2),N45、N90、N135、N180处理地上部碳积累量（或根茬碳还田量）分别提高了100%、142%、167%和183%,但土壤CO2排放量(N0,1608gCO2·m-2·a-1)依次提高了24%、54%、58%、53%。当氮肥施用量超过90 kgN·hm-2时,CO2排放量没有显著增加,超过135 kgN·hm-2时,甚至降低(N90,2483 gCO2·m-2·a-1、N135,2585gCO2·m-2·a-1、N180,2354gCO2·m-2·a-1)。这是施氮促进SOC积累的试验证据。 在有机肥的基础上配施化肥,土壤CO2排放量无明显升高(M,3777 gCO2·m-2·a-1、NPM,3821gCO2·m-2·a-1),但其地上部分碳积累却显著提高（较M提高了54%）,同时提供了更多的跟茬碳归还量。这可能是化肥与有机肥配施促进SOC积累的重要机理。 此外,在黄土旱塬区,长期休闲土壤呼吸速率的年均值为0.96μmolCO2·m-2·s-1,排放量为1305 gCO2·m-2·a-1,由于没有新鲜有机物的输入,致使SOC含量缓慢下降。休闲地土壤呼吸主要受土壤温度和水分的影响,其关系可用双因素模型R = aebΤWc（a、b、c为常数）很好地描述（5,10,15,20,40,60cm土层的决定系数R2=0.74～0.85）。土壤呼吸速率与SOC组分DOC、MBC呈显著（P<0.05）正相关关系、与土壤碳氮比（C/N,8～9）呈极显著（P<0.01）负相关。