小麦—玉米轮作体系长期施肥下农田土壤碳氮相互作用关系研究

【摘要】：农田生态系统碳、氮循环是其最基本的生态过程，不仅影响作物产量和肥料养分利用率，而且影响土壤CO2、N2O等温室气体的排放，是农业可持续发展的基础，因而受到人们广泛的关注。 本研究针对农田生态系统不同施肥下碳氮耦合关系研究相对薄弱，选择不同地域的小麦-玉米轮作体系下的4个长期定位试验点（昌平、郑州、杨凌、祁阳）的数据进行分析。采用数理统计分析的方法，研究7个不同施肥处理（不施肥Control、单施化学氮肥N、施化学氮磷肥NP、施化学氮磷钾肥NPK、氮磷钾配施有机肥NPKM、氮磷钾配施高量有机肥hNPKM和氮磷钾配合秸秆还田NPKS）长期施肥下土壤碳氮比对施肥的响应、碳投入与土壤有机碳的关系。通过CENTURY模型与长期试验数据相结合，分析不同区域农田土壤有机碳的变化趋势以及土壤的固碳潜力。主要研究结果与结论如下： 1.土壤有机碳和全氮对不同施肥处理的响应不同。在小麦-玉米轮作中所有处理的土壤有机碳均持续上升，而施用化肥处理，祁阳点的土壤全氮含量呈现下降趋势；NPKM处理下土壤有机碳和全氮均随时间的延长明显增加但二者增加速率不同。与初始值相比，4个长期试验点土壤有机碳增加35%~(-1)47%而土壤全氮增加10%-33%。 2.长期施肥对不同气候区域土壤碳氮比的影响不同。昌平、郑州、杨凌点（均处于温带地区）的土壤碳氮比基本不变，而祁阳点（位于亚热带区域）的土壤碳氮比显著增加。说明大部分地区土壤碳、氮为耦合关系。祁阳点土壤碳氮呈现非耦合的现象与土壤有机质分解有关。通过碳氮收支平衡的计算发现NPK处理祁阳点分解的土壤有机质碳氮比（23.7）明显小于其他三个点（44.0-48.2）。 3.采用修改后的米氏方程可很好的拟合土壤有机碳与碳投入的关系。土壤需保持0.03~(-1).32Mg C ha~(-1)yr~(-1)投入即可维持现在土壤有机碳的水平。长期施用化肥（NP和NPK）下，来源于作物的碳投入为0.9-3.3Mg C ha~(-1)yr~(-1)。说明平衡施用化肥可提供充足的碳投入量来维持目前的土壤有机碳水平。而如果土壤有机碳拟每年增加1Mg/ha，多数试验点的碳投入量需超过10Mg C ha~(-1)yr~(-1)，施用有机肥处理的碳投入可达到11.05Mg C ha~(-1)yr~(-1)。说明施用有机肥是快速提高土壤有机碳的含量的最有效途径。 4.4.5版本的CENTURY模型能够很好的模拟不同气候区域下不同施肥处理土壤有机碳的变化（模拟值与实测值之间的标准化均方根误差小于15%）。高量有机肥投入处理（hNPKM）4个试验点的土壤有机碳水平在2100年将达到31.6-54.7Mg ha~(-1)。与1990年土壤有机碳含量相比，预计土壤固碳潜力可达到9.2-38.2Mg ha~(-1)。模拟结果发现长期施肥下各试验点土壤慢性碳库增加而惰性碳库降低。土壤慢性碳库的变化决定土壤有机碳的变化。 总之，土壤碳氮比的变化主要受有机质分解过程的影响。施肥措施通过影响土壤慢性库的碳含量来改变土壤有机碳的含量。增加外源有机碳的投入是提高土壤有机碳含量的最有效途径。