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施肥和耕作长期试验下农田土壤有机碳及作物生产力变化的统计研究

王成己  
【摘要】:农田长期定位试验是研究农田长期生态过程及其环境效应和调控措施的重要手段,长期试验及其保存的样品记录了长时间尺度的农田生态系统和环境变化信息,可以用来研究农田生态系统的长期变化过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈的长期动态。 本文通过对中国期刊网和维普科技期刊网收录文献的检索,收集整理1979-2008年有关中国农田生态系统长期施肥和保护性耕作试验文献,提取其中有机碳(质)和产量数据,整理为农田表土有机碳和产量原始数据库。采集数据符合如下原则:1)施肥处理为施无机肥、有机肥及有机无机肥配施等,保护性耕作措施为少免耕、秸秆还田及综合措施等,且在报道的试验监测期内管理方式一致;2)施肥试验年限≥6年,保护性耕作试验年限≥3年,且试验的起止年份清楚;3)试验小区面积≥10m2;4)表土有机碳含量测定方法相同,各处理下土壤有机碳(质)的初始值和变化值明确;5)施肥试验以不施肥为对照,保护性耕作试验以传统耕作模式为对照。 土壤有机碳的变化动态定义为监测终止年与监测初始年的土壤有机碳含量差值。考虑到长期试验的长短,本文定义了土壤有机碳年相对变化量(relative annual change, RAC),并给出了具体的计算公式。为排除因地理分区和土壤类型差异对土壤有机碳变化产生的影响,在计算有机碳相对增量时扣除了对照的变化量,据此得到不同处理的净变化量。考虑到不同种植制度下农田土壤固碳的差异性,本文按农田土壤总体和旱地与水田两种农业利用类型分别进行统计分析。 本文分别整合分析了长期施肥和保护性耕作下中国农田表土有机碳的变化特征及产量效应。主要结果如下: 长期施肥试验采用的76篇有效文献涉及中国大陆23个省(区、市)的70个长期试验点,涵盖16种土类,总样本481个。将施肥处理分为6种类型:Ⅰ无机氮肥(N),Ⅱ无机氮磷肥配施(NP),Ⅲ无机氮磷钾肥配施(NPK),Ⅳ单施有机肥(O),Ⅴ无机有机肥配施(OF),Ⅳ其它非平衡施肥(Others)。统计结果表明,长期施肥处理下旱地和水田表土有机碳年均相对增量分别为-0.14~0.60 g/kg/yr和-0.12-0.70g/kg/yr,平均增幅分别为0.13 g/kg/yr和0.19 g/kg/yr。长期施肥处理下,农田表土有机碳含量总体呈上升趋势,水田增长高于旱地。和非平衡施肥相比,平衡施肥特别是良好的施肥管理能够显著增加土壤有机碳的含量。统计分析还表明,随着监测时间的延长,土壤有机碳的增幅逐渐降低。在促进土壤有机碳积累的同时,长期施肥有效地增加了作物生产力,良好的施肥管理能够取得土壤生产力和作物生产力同步增长的共赢效果。改善农田管理措施可以提高中国农田土壤固碳潜力。 在长期施肥试验数据库中提取同时具有土壤有机碳含量和产量记录的样本,整合分析长期施肥处理下农田表土有机碳变化与作物生产力的关系。采用的26篇有效文献涉及18个省(区、市)的24个长期试验点,涵盖12种土类。总样本156个(其中旱地106个,水田50个)。统计分析表明,相对于不施肥的对照处理,长期施肥处理下旱地小麦、玉米及水稻的平均增产率分别为173.5%、204.4%和45.6%,与此对应的小麦、玉米及水稻土壤有机碳年增量分别为1.00、1.25和2.17 g/kg。长期施肥在促进土壤有机碳积累的同时保持了作物稳产高产,良好的农田管理措施可以取得土壤固碳、作物增产以及农业增收的多重效果。 保护性耕作试验采用的48篇有效文献涉及18个省(区、市)的59个长期试验点,涵盖12种土类。总样本88个(其中旱地51个,水田37个)。分析表明,所有保护性耕作处理下旱地和水田表土有机碳平均年增量分别为-0.30~0.75 g/kg/yr和-0.20-2.71g/kg/yr,平均增幅分别为0.21 g/kg/yr和0.51 g/kg/yr。长期保护性耕作下,农田表土有机碳含量呈总体上升趋势,水田增长高于旱地。和少免耕相比,秸秆还田更有利于促进表土有机碳的积累。统计分析还表明,结合秸秆还田的综合保护性耕作措施可以使水田和旱地的有效固碳期限分别持续27年和23年,水田在保持较高固碳速率的同时,延长了有效固碳年限。耕地表土有机碳含量在保护性耕作下特别是秸秆还田可以较大幅度地提高,实行保护性耕作可以具有农业稳产与土壤固碳的双重意义。


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