秸秆还田的土壤有机碳周转特征

土壤有机碳(SOC)是土壤肥力的核心,维持和提升SOC是保证粮食可持续生产和减缓全球温室气体排放的重要举措。秸秆还田,作为少数可受人为调控的农田固碳措施,近年来已在中国各粮食主产区全面推广和实施,以期维持和提高土壤肥力。然而,长期连续秸秆还田对作物产量、SOC储量及其周转过程的影响尚缺乏系统的定量评价。本研究围绕长期连续秸秆还田对作物产量和SOC提升效应,以及对SOC关键周转过程的影响,收集、整理了国内长期定位试验和短期腐解试验的研究结果,借助13C稳定同位素原理和DayCent模型模拟,定量分析了作物产量、土壤碳库总量和组分(源自当前作物的SOC和原有SOC)及其周转速率对秸秆还田的响应,以及不同时间尺度秸秆有机碳在土壤中的分解和转化。主要结果和结论如下：1.中国粮食主产区45个点位的长期(>10年)秸秆还田试验结果表明,相对于秸秆不还田处理,秸秆还田可显著提高作物产量(7.0%)、SOC(10.1%)和全氮(TN,11.0%)。但在中国北方的部分点位,秸秆还田会降低冬小麦的产量0.6-7.1%。SOC和TN对秸秆还田的响应不受试验持续时间、土地利用类型和作物系统的显著影响,但与秸秆碳、氮投入量呈显著线性相关。值得注意的是,SOC和TN对秸秆还田的响应在旱地和水旱轮作条件下存在非耦合现象,而在水田条件下二者耦合。秸秆有机碳的长期净固碳效率平均为9.5%。其中,玉米、小麦和水稻分别为7.7、10.3和9.4%。据此,中国三大作物全量秸秆还田可在18年内(长期试验年限平均值)提升SOC281.7 Tg C。因而,在中国大部分区域秸秆还田是提高作物产量和土壤肥力的有效措施,但需要更多考虑点位特征对秸秆还田效果的影响。2.通过整合1980年—2013年中国农田土壤有机物料腐解试验的文献数据发现,中国不同类型有机物料第一年的腐解残留率平均为33.5%,受物料性质、区域特征以及二者交互作用的共同影响。腐解残留率在区域上总体呈华南≈华北<西北≈东北。其中,在华南、华北和东北,腐解残留率总体呈绿肥<秸秆<根茬≈有机肥；而在西北区,受水分因子的限制,各物料类型间并无显著差异。对于完全植物性的有机物料(绿肥、秸秆和根茬),其腐解过程受到物料性质和气候因子的显著影响,且物料性质较气候因子占主导；但对于腐解或半腐解状态的有机肥,其腐解可能更多地受到土壤性质的影响。从长期看,秸秆类的腐解残留率为16-20%,接近有机肥类21%,而根茬类达30-33%。双组份模型能够较好地拟合有机物料的分解过程,同时证实有效积温是表征有机物料分解状态的重要指标；物料性质仅在有机物料分解前期(0.6～1.5年)占主导,但并不能预测有机物料的后期残留率。单一改变某一因子,如单次施氮亦不能显著改变物料有机碳的长期残留。3.基于稳定同位素13C的整合分析结果表明,温带农田土壤新碳(源自玉米的SOC)占总SOC的比例平均可达到22.3%,平均分解速率为0.105 yr-1；而老碳(土壤原有SOC)的比例高达77.7%,平均分解速率为0.0089yr-1。长期施用化肥和秸秆还田均显著提高了土壤碳库中新碳的储量(31-130%)、比例(2.8-19.2个百分点)和周转速率(平均提高125%)。同时,秸秆还田加速了老碳的分解(分解速率较单施化肥提高74%),其正激发效应导致的老碳损失是秸秆还田的固碳效果不及预期的主要原因。玉米秸秆表观固碳效率可达到净固碳效率的2倍(15%),与玉米秸秆腐解达到稳定时的残留率(16%)相当,表明有机物料在相对较短的时间内(1-3年)已基本转化为稳定态有机质。4.DayCent模型可以较好地模拟了根茬和有机肥归还条件下SOC和TN的动态,但会显著高估部分点位秸秆还田SOC的动态。引入点位因子后的逆向数据同化结果表明,点位因子的大小受到秸秆还田量以及其他点位特性(如,秸秆还田方式、作物-土壤系统养分平衡和SOC饱和度等)的显著影响。