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RothC模型模拟我国典型旱地土壤的有机碳动态及平衡点

王金洲  
【摘要】:农田土壤有机碳(SOC)不仅与土壤肥力和作物产量密切相关,还是大气CO_2的潜在碳汇。运用模型手段研究长期施肥和秸秆还田条件下土壤有机碳的动态,对于指导农田土壤培肥与固碳具有重要意义。本研究的主要目的是:①运用长期定位试验数据检验与修正RothC~(-2)6.3(Rothamsted carbon model,version 26.3)模型;②修正后的RothC~(-2)6.3模型预测不同施肥和秸秆还田条件下SOC的动态及平衡点;③提出土壤培肥与固碳的合理施肥措施。 本研究选择了我国东部典型的黑土、潮土及红壤长期定位试验区,其主要种植制度为:黑土区玉米单作(吉林省公主岭)、潮土区小麦-玉米轮作(河南省郑州)、红壤区玉米-玉米连作(江西省进贤)和小麦-玉米轮作(湖南省祁阳)。各试验区选取了长期定位试验较为常见的8个典型施肥处理:不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷配施(NP)、氮钾配施(NK)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾配施有机肥(NPKM)、氮磷钾配施高量有机肥(1.5NPKM)和氮磷钾配施秸秆(NPKS),对RothC~(-2)6.3模型进行了检验,并在秸秆还田和土壤极端酸化等条件下调整了部分模型参数。调整后的RothC~(-2)6.3模型较好地模拟了各试验点SOC的动态,并预测了当前管理措施条件下各施肥处理SOC的动态及平衡点。主要结果和结论如下: (1)RothC~(-2)6.3模型较好地模拟了黑土和潮土区不施肥、化肥及化肥配施有机肥处理SOC的动态,但高估了NPKS处理SOC含量。相对于根系,秸秆可溶性碳含量较高,木质素(Lignin)含量及Lignin/N均较低,且土壤物理保护作用较弱,因而分解速率较快。大量秸秆还田加速了外源有机碳的总体周转速率。郑州试验点秸秆翻压还田处理,将RothC~(-2)6.3模型中外源有机碳的易分解组分(DPM,Decomposable Plant Material)与难分解组分(RPM,Resistant Plant Material)的比例由预设值1.44调整为3.35后,模拟效果明显改善;公主岭试验点秸秆覆盖还田处理,调整DPM/RPM预设值后的模型逆向模拟结果表明,覆盖的秸秆仅约17%进入耕层土壤。 (2)RothC~(-2)6.3模型对红壤区进贤试验点各处理的模型模拟效果基本可行,但明显低估了祁阳试验点各处理SOC含量,尤其是非有机肥处理。可能的原因为祁阳点季节性干湿交替及土壤质地粘重且极端酸化,抑制了土壤微生物活性,降低了HUM(Humified Organic Matter)碳组分的分解速率。将RothC~(-2)6.3模型HUM碳组分的分解速率常数由0.02 yr~(-1)调整为0.003 yr~(-1)(CK\N\NP\NK\NPK)和0.009 yr~(-1)(NPKS\M\NPKM\1.5NPKM)后,祁阳点SOC模拟效果明显改善。 (3)我国东部旱地SOC尚处在非饱和阶段,增加有机碳投入量,例如,提高秸秆还田比例、增施有机肥等,均有助于提高SOC平衡点及固碳潜力。当前管理措施条件下,不施肥处理各试验点SOC均呈下降趋势,还将继续损失2-8t·hm~(-2),达到平衡时SOC含量为10~(-2)0t·hm~(-2);化肥NPK或NPK配施秸秆有助于黑土(公主岭点)和潮土(郑州点)SOC的提高,平衡点为30-50t·hm~(-2),固碳潜力为8-18t·hm~(-2),而仅仅维持了红壤(祁阳和进贤点)SOC含量,平衡点为20~(-2)4t·hm~(-2),秸秆还田量不足可能是导致祁阳红壤SOC对秸秆还田无明显响应的主要原因;化肥配施有机肥处理各试验点SOC均呈上升趋势,其中,进贤和郑州点SOC平衡点为45-55t·hm~(-2),固碳潜力为10~(-2)0t·hm~(-2),而祁阳和公主岭点SOC平衡点达70~(-1)00t·hm~(-2),固碳潜力为30-60t·hm~(-2)。 总之,RothC~(-2)6.3模型高估了大量秸秆翻压或覆盖还田时SOC含量,低估了极端酸化条件下SOC含量。修正后的RothC-26.3模型可以较好地模拟和预测我国东部旱地SOC的动态。我国东部旱地土壤尚处在非饱和状态,增加有机碳归还量有助于提高SOC平衡点及固碳潜力。化肥配施有机肥是维持作物高产和增加土壤固碳的最佳施肥措施。


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