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中国农田长期不同施肥的固碳潜力及预测

姜桂英  
【摘要】:土壤有机质(土壤有机碳, SOC)是土壤肥力的主要指标,是作物稳产高产的基础。然而,我国农田土壤有机碳含量远低于世界同类土壤仅为世界同类型土壤的1/3到1/2,提升的空间和潜力大。土壤有机碳含量受多种因素影响,其中施肥是农业生产中提高土壤有机碳含量最直接有效的措施。由于我国地域辽阔,横跨多个气候带、土壤类型且农田管理措施多样,这些因素都将影响土壤有机碳含量的变化。那么在我国多样的农田环境中,不同区域不同施肥措施下土壤有机碳呈现什么样的变化特征?其不同施肥下的固碳潜力有多大?人们尚不十分清楚。土壤有机碳的演变是个长期缓慢的过程,利用长期试验回答这些问题具有明显的优越性。同时利用模型模拟研究土壤有机碳周转已经成为一个重要的手段。然而目前关于农田土壤固碳潜力的研究多为单点位,对区域研究较少;且大多数是用数理统计方法,用模型分析的较少。因此,本论文选择中国典型农田的14个长期定位肥料试验,采用世界上广泛应用且参数简单易调整的RothC26.3模型系统阐明不同施肥下的农田土壤固碳特征与潜力。研究的具体目标是:(1)对RothC26.3模型的适宜性进行评价,通过修改参数和验证,阐明模型的适用性;(2)采用验证后的适宜模型分析中国农田土壤固碳潜力的区域特征;(3)通过对模型的敏感性和情景分析,阐明中国典型农田不同有机肥投入下的土壤碳库演变趋势及主要影响因素。 14个长期试验点涵盖了中国农田典型气候、土壤以及水分管理(旱地、水旱轮作和水田)类型,各试验点主要包括七种不同施肥方式(不施肥(Control)、单施氮肥(N)、氮磷配施(NP)、氮磷钾配施(NPK)、单施有机肥(M)、化肥配施有机肥(N+M/NP+M/NPK+M/hNPK+M)、化肥配施秸秆(NP+S/NPK+S))。研究得出以下主要结果与结论: 1.RothC模型在中国农田适用性评价 RothC26.3模型可以较好的适用于中国北方旱地不同施肥下土壤有机碳变化的模拟。在所有旱地试验点除化肥配施秸秆还田措施外(NPK+S),其他施肥措施下模型模拟值和实测值均方根误差(RMSE)均小于15%(5.29~14.57%),相关方程的决定系数(R2)均大于0.7(0.71~0.93(除平凉点0.64和昌平点0.54)),说明模拟值和实测值接近,模型适用。 RothC26.3经过参数修改(RothC26.3_p模型),在水旱轮作农田也可以适用。在重庆、遂宁和武昌三个水旱轮作试验点,模拟值与实测值的RMSE在3.62~15.00%,R2值0.62~0.77(除武昌点为0.44外,主要是由于其实测数据年际间浮动较大),均符合模拟的误差要求。但该模型在南方水田即双季稻农田中,仅适用于不施肥和单施化肥低于2.6t C ha~(-1)yr~(-1)碳投入下的SOC的模拟(RMSE在4.92~8.94%),高于此投入量时,模型高估土壤有机碳含量(RMSE值14.15~54.73%),需要进一步修改。 2.我国农田固碳潜力的区域特征 在现有施肥基础上,北方旱地土壤的固碳潜力在-4.9~57.0t C ha~(-1)。在不施肥和单施氮肥下,中国东北、西北和华北地区土壤固碳潜力为-7.5~~(-1)4.1t C ha~(-1),(除平凉和昌平试验点外),整体平均为-4.9t C ha~(-1),相对试验初始没有固碳潜力。氮磷配施措施下,除乌鲁木齐、张掖和郑州(-2.1~-5.8t C ha~(-1))外,其他试验点固碳潜力为0.4~32.7t C ha~(-1),且东北和西北(9.9~32.7t C ha~(-1))高于华北地区(0.4~7.0t C ha~(-1)),整体平均固碳潜力为8.1t Cha~(-1)。氮磷钾配施下,除西北地区乌鲁木齐和张掖外,西北平凉和杨凌以及东北和华北地区,土壤均处于持续固碳状态,整体固碳潜力平均为12.4t C ha~(-1)。施用有机肥或秸秆还田,所有农田均有固碳潜力(30.8~57.0t C ha~(-1))。 在水旱轮作系统中,不施肥下,土壤固碳潜力-7.6~~(-1)6.1t C ha~(-1)。NPK措施下,除重庆外,遂宁和武昌基本维持试验初始SOC水平。施用有机肥,固碳潜力在3.6~35.6t C ha~(-1)。水田(双季稻)系统中,在南昌和进贤试验点,即使是不施肥情况下,土壤可以维持初始有机碳水平(固碳潜力为0.1~2.1t C ha~(-1))。但在望城点,不施肥情况下,土壤有机碳水平在持续下降,其固碳潜力为-7.1t C ha~(-1)。在NPK措施下,三个试验点固碳潜力为10.0~15.9tC ha~(-1)。 3.我国典型农田不同有机肥投入下的土壤碳库演变趋势及主要影响因素 不同有机肥投入情景预测(2011~2100年)结果显示,在旱地地区,增施相当于NPK+M中有机肥施用量一半时,不施肥措施下,农田土壤基本由碳源转为碳汇,有2.8~6.8t Cha~(-1)的固碳空间;NPK施肥下,所有农田SOC含量均呈积累状态。而在NPK+M施肥下,有机肥施用量减半后,土壤基本能维持试验初始有机碳含量水平。若要维持试验初始土壤有机碳水平,在不施肥和NPK施肥下,至少要增施相当于NPK+M措施下半量的有机肥碳。在南方水旱轮作和双季稻区,不施肥和施用NPK,增施半量有机肥碳投入量,农田土壤由碳源转化为碳汇,SOC含量会明显提升。施用NPK+M下,三个水旱轮作点,即使停止有机肥碳投入,仍能维持试验初始时水平。 在施用NPK措施下,增施1t C ha~(-1)有机肥碳,到本世纪末(2100年),中国北方旱地一年一熟地区土壤固碳潜力平均比NPK增加43.9%(31.0%~56.7%),一年两熟地区增加29.8%(28.0%~33.3%),水旱轮作地区增加31.3%(29.1%~33.1%),双季稻地区则增加28.5%(26.9%~30.3%)。 综上所述,本研究利用长期定位试验的资料和修正后的RothC定量阐明了中国旱地、水旱轮作和双季稻典型农田土壤固碳潜力的时空变化特征区域差异,为我国不同区域的土壤肥力维持和提升提供技术支持。预测分析了典型区域不同施肥措施下土壤有机碳的未来变化趋势,提出了不同区域农田土壤有机碳维持与提升(固碳)的施肥技术。


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