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长期施肥下我国农田土壤有机碳组分和结构特征

何亚婷  
【摘要】:土壤有机碳是农田土壤肥力的核心,是农作物高产稳产和农业可持续发展的基础,也是全球碳循环的重要组成部分。施肥是影响农田土壤有机碳动态的重要措施之一。但是,从土壤固碳的角度出发,长期不同施肥下土壤固碳的关键组分,以及施肥对有机碳化学结构特征和固碳效率的影响差异,仍是农田土壤碳循环研究中尚未明确解决的问题。针对这一科学问题,本研究以我国东北黑土、西北(?)土、中部潮土和南方红壤四大典型农田土壤上的长期肥料试验为基础,采用湿筛和重液悬浮法、氯仿熏蒸法、固态13C-核磁共振法,研究了不同气候和土壤条件下长期不同施肥处理对土壤有机碳物理组分、生物组分碳、氮含量的影响,以及不同施肥处理对有机碳化学结构的影响及其与土壤固碳的关系。研究结果对深入认识不同施肥措施下土壤有机碳的组分特征和结构特征,丰富农田系统碳循环的理论基础具有重要的科学意义,对合理培肥地力、促进农业可持续发展和增汇减排具有积极的现实意义。主要研究结果和结论如下:(1)不同施肥措施对土壤有机碳和全氮总量、组分有机碳和全氮含量的影响效应具有明显的差异性,化肥配施有机肥处理下各组分的碳、氮含量最高。17年的连续化肥配施有机肥显著提高了总土的有机碳和全氮含量、生物组分微生物量碳和微生物量氮含量,以及土壤物理组分的有机碳和全氮含量。秸秆还田处理的效应与化肥配施有机肥相似,但在公主岭试验点,秸秆还田处理对所有参数的影响效应均不显著。单施化肥对总土碳、氮含量,微生物量氮和矿物结合态碳含量无显著影响,但显著降低了公主岭和祁阳的微生物量碳。(2)自由颗粒组分的有机碳和全氮含量对施肥最敏感,提高幅度最大,而矿物结合态组分的有机碳和全氮绝对含量最大,是土壤固碳和固氮的关键组分。在四个物理组分间,有机碳和全氮绝对含量的大小顺序为矿物结合态组分(MOC, MTN)微团聚体内颗粒组分(iPOC, iPTN)粗自由颗粒组分(cfPOC, cfPTN)细自由颗粒组分(ffPOC, ffPTN)。但是,自由颗粒组分碳、氮含量对施肥的响应最敏感,增幅最大,cfPOC和cfPTN在三个试验点的平均增幅分别达到329.3%和431.1%,而矿物结合态组分对施肥的响应最小,MOC和MTN分别只增加了40.8%和45.4%。各组分的碳、氮含量与总土的碳(R2=0.51-0.84,P0.01)、氮(R2=0.45-0.79,P0.01)含量显著正线性相关,所有参数可解释土壤肥力变异的百分之八十以上。(3)长期不同施肥处理均改变了土壤有机碳的化学结构,但不同施肥处理之间无显著差异。土壤有机碳化学结构功能团的碳含量大小顺序为:烷氧C烷基C芳香C羰基C。与初始土壤相比,22年的不同施肥提高了土壤有机碳烷氧C的含量(3.9-7.3%),降低了芳香C(3.4-5.6%)和烷基C(2.5-5.3%)的含量。但是,有机碳化学结构功能团碳含量在各施肥处理之间没有显著差异。(4)烷氧C是固碳的主要功能团,各基团碳的固定转化效率主要受土壤因子的控制。有机碳化学结构功能团的碳含量与累积C投入呈显著的线性正相关关系。在有机碳的四个功能团中,烷氧C的碳转化效率最高(3.3-8.4%)。与气候因子(18.60%)相比,土壤因子(26.79%)对有机碳化学结构功能团碳转化效率的贡献作用更大。其中,土壤C:N比、pH、粘粒含量是控制有机碳化学结构功能团碳转化的关键土壤因子。综上所述,长期施肥不仅改变了土壤有机碳的数量,也改变了有机碳的化学结构。化肥配施有机肥处理是中国旱地农田最有效的施肥策略,而秸秆还田措施应考虑施用的地域性特征。此外,今后的土壤培肥管理措施中,在加大有机碳投入的同时,应注意改善土壤环境,提高有机碳的转化效率,从而固定更多的碳。


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