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施肥对黑土碳氮转化过程的影响

乔云发  
【摘要】:全球气候变暖是当今世界面临的重要环境问题,主要是由于大气中温室气体CO2、CH4和N20等浓度不断增加引起的。农田生态系统碳氮转化过程是预测大气C02和N20浓度及气候变化的重要基础,对农田生态系统的稳定性及其环境效应具有影响。碳氮转化过程是农田生态系统最基本的生态过程,强烈地受到人为作用的影响和调控。黑土区是我国重要的商品粮生产基地,土壤有机碳氮含量直接影响作物产量。黑土有机碳氮含量快速下降是农业生产中最为严重的问题,农民通过施用大量化肥来增加粮食产量,施肥影响了农田生态系统的碳氮转化过程。 本研究以位于东北黑土带中心区域的中国科学院海伦农业生态试验站1990年设置的长期肥料定位试验为研究平台,采用田间试验与盆载培养相结合的试验方法,利用静态箱观测方法研究施肥对生长季和非生长季土壤CO2和N2O排放的影响;结合13C02同位素示踪技术研究施肥条件下光合碳分配的动态变化;从输入和输出角度探讨施肥对土壤碳氮平衡的影响;利用GWP评价长期施肥对黑土农田生态系统环境效益的影响。研究获得以下主要结论: 1)施肥通过促进作物生长间接影响土壤呼吸,气温是调控土体呼吸的关键因子 施肥对土壤呼吸速率有明显的影响,土壤呼吸速率随玉米生长而出现波动,最大峰值出现在出苗后第87d,其后土壤呼吸速率呈下降趋势,直到玉米收获。从整个玉米生长期来看,NPKOM处理的土壤呼吸速率和根际呼吸速率最高,其次是NPK, NP,而NK和CK最低,NPK与NK相比,磷肥施用对土壤呼吸影响较大,说明缺磷导致土壤的呼吸显著降低。土壤呼吸累积量在拔节孕穗期和乳熟期出现两个峰,表现出双峰曲线的变化规律。而土体呼吸累积量只在拔节孕穗期出现峰值,呈抛物线型,与气温变化相一至,施肥对土体呼吸影响较小,这说明气温是影响土体呼吸速率的关键因子。 2)施肥促进生长季CO2和N2O的排放,对非生长季C02和N20的排放影响较小 土壤C02排放季节性波动呈单峰型,在7月份排放速率达到峰顶,然后下降,非生长季冬季排放最小。施肥影响土壤CO2排放为NPKOMNPKNPNKCK。生长季土壤CO2排放累积量全年土壤CO2排放累积总量的83%以上,施肥处理间差异不显著。非生长季土壤CO2排放速率很小,仅为生长季的5-20%。生长季N2O为正向排放,而非生长季N2O排放小,有时为正排放,有时为负排放.有时为“0”排放,有时肥对N2O排放起决定作用,N20排放累积量顺序为NPKOMNKNPKNPCK。NPKOM促进生长季土壤CO2排放,而对非生长季CO2排放影响差异不显著。生长季排放量大于非生长季,NPKOM处理的玉米和大豆生长季比非生长季N20分别多排放87mg N m-2和166mg N m-2。与NPK处理相比,施有机肥处理N20排放增加363%,NK增加17.6%。 3)施肥影响作物光合碳的分配 施肥影响玉米光合碳分配,NK处理在标记当天地上部13C的分配比例最大为76.1%,标记7d后变为53.3%。NPKOM处理地上部13C分配比例1.0%(0天)7天后增加到3.5%。分配到地下的光合13C的52.9-94.4%通过根际呼吸所消耗, NPKOM和NPK处理消耗最大,达94.4%和93.6%。长期施肥对作物根际沉积碳在土壤水稳性团聚体中分配影响较大,根际沉积碳主要增加2mm团聚体的形成,减少0.25-0.5mm团聚体的形成。CK处理根际沉积碳主要分配到2mm,2-1mm大团聚体和0.25mm微团聚体中,缺素促进根际沉积碳向0.5-2mm大团聚体和0.25mm微团聚体中分配。施用有机肥减少1-2mm和0.25-0.5mm粒级根际沉积碳分配比例,反而增加0.5-1mm和0.25mm粒级分配比例。 4)平衡施肥有利于维护土壤有机碳平衡 施肥影响黑土农田有机碳平衡,化肥配施有机肥增加了土壤有机碳的输入量,但同时土壤有机碳通过矿化输出的量随之增加,土壤有机碳呈现出增加趋势,有机碳含量增加为0.08g kg-1a-1。CK处理土壤有机碳输入量较小,每年仅为754kg hnn-2,而土壤有机碳通过矿化输出量较大,仅次于NPKOM处理,达到448kghm-2,土壤有机碳下降速率较快,以每年0.22g kg-1速度下降,经过18年的长期定位试验,有机碳实际下降1.7g kg-1。平衡施化肥NPK和NP处理,每年输入和输出碳量相近,碳收支在12-44kg hm-2a-1之间,土壤有机碳含量维持在27-28g kg-1之间波动,有机碳含量呈平衡状态。 5)施肥对土壤碳氮库储量影响小,而对全球增温潜势(GWP)影响大 施肥对土壤碳、氮含量影响较大,NPKOM处理增加了0-60cm剖面土壤的碳、氮含量;而长期不施肥CK处理,只有0-20cm耕层土壤碳、氮含量明显减少。从0-100cm土体碳氮库储量来看,施肥对0-100cm土体碳氮库储量影响较小,趋势为NPKOMNPKCK。通过施肥可以调控土壤碳损失流向,NPKOM处理有机碳含量出现了快速下降、快速上升、再快速下降和维持平衡四个明显变化阶段。在所有施肥处理中,NPKOM处理GWP为负数,其它施肥处理GWP为正数,这说明施用有机肥可以调控碳的“源”与“汇”的关系。CK处理显著提高单位产量的碳排放强度(GWPI), NPK和NP处理GWPI没有显著差异,NPKOM处理GWPI为-6.5C kghm-2,这说明化肥配施有机肥在农业生产过程中创造高环境效益,是环境友好型施肥措施。


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