黄淮海平原集约种植条件下土壤有机碳动态建模及应用

【摘要】：碳氮循环对农业生产和全球气候稳定性而言,具有极其重要的意义。黄淮海平原被誉为中国的粮仓,是集约化冬小麦-夏玉米一年两熟种植区。该地区土壤的可持续利用关系到全国的粮食安全问题,其中,土壤有机质动态机制与调控是最重要的科学问题之一。本文围绕集约农作条件下土壤有机碳动态,对黄淮海平原区不同农作措施下土壤有机质积累规律进行深入定量化研究。结论如下: 碳固持模型CQESTR以天为时间步长,以累积积温为驱动力,对充分灌溉条件下土壤水分影响因子进行概化。在相关区域短期、中长期物料填埋试验资料基础上对原CQESTR模型进行修正,将模型按照物料降解与累积积温关系划分4个阶段,确定了不同降解阶段的物料类型因子。对黄淮海平原集约化农区7个长期定位点1151组独立的土壤有机质(SOM)模拟值(x)与观测值(y)进行验证(y=0.990x,r~2=0.910),结果达到显著水平(p0.01),模型模拟95%置信区间为±1.91g kg~(-1)。分析表明,受有机物料还田水平的影响,黄淮海平原区农田耕层SOM年矿化速率差异较大。就不同试验点多年平均而言,耕层SOM年矿化速率最低值为2.16%,最高值为5.95%。各试验点平均而言,耕层SOM年矿化速率最低值占最高值的54.2%,这一数值随化肥用量和有机肥还田量的增加而增大,表现为SOM数量与质量不断提高。耕层土壤CO_2排放通量最低值为337.1gCO_2m~(-2)a~(-1),最高值为2144.3gCO_2m~(-2)a~(-1)。各试验点多年平均而言,耕层土壤CO_2排放通量最低值占最高值的31.9%。统计分析表明,作物年产量增加1thm~(-2)时,耕层土壤CO_2排放通量提高96.5g CO_2 m~(-2)a~(-1),耕层SOM矿化速率提高0.22个百分点。土壤年表观呼吸通量不仅反映了土壤生物和植物代谢活动强度,而且还直观反映出耕层SOM年矿化速率和无机氮矿化量大小。修正的CQESTR模型作为一个简单易行的有效工具,可较为精确地预测单块试验地有机碳长期动态和土壤碳截获潜力。 本研究建立了基于过程的生态模型,以描述黄淮海平原土壤—作物系统中水氮碳动态。模型对冬小麦—夏玉米轮作体系作物叶面积指数、作物系数、根系生长与分布进行了模拟。曲周试验资料验证表明,本研究建立的水氮碳联合过程综合模型能较好模拟冬小麦-夏玉米轮作体系土壤水分和土壤温度动态。分析表明,黄淮海平原7个研究试验无肥处理冬小麦水分利用效率为0.22～0.56kg m~(-3),夏玉米的水分利用效率为0.58～0.91kg m~(-3)。就总体而言,冬小麦的水分利用效率低于夏玉米。以黄淮海平原集约化农区7个长期定位点948组独立的SOM模拟值(x)与观测值(y)对综合模型进行验证(y=1.017x,r~2=0.911),达到显著水平(p0.01),模拟95%置信区间为±1.89 g kg~(-1)。总体上,综合模型对土壤有机质的模拟效果与修正的CQESTR相当。 统计分析表明,黄淮海平原砂壤土～壤土质地耕层SOM增加1t hm~(-2)有机碳,作物年产量平均增产潜力为442.2～952.9 kg hm~(-2);这一关系SOM的临界值为15.2 g kg~(-1),耕层土壤有机质含量大于该目标值后,作物产量基本保持不变。采用修正的CQESTR模型对黄淮海平原耕层SOM动态进行模拟,结果表明,北京昌平潮褐土2年3熟种植制度下,鸡粪用量3937.5kg hm~(-2)、2年产量20000kg hm~(-2)时,耕层SOM能够维持在13.1g kg~(-1) OM的现有水平。衡水、辛集、郑州潮土1年2熟种植制度下,NP或NPK与有机肥同时投入(N、P和K用量分别为100-300kg