基于碳組分分析的稻田土壤固碳優(yōu)勢及其保持途徑研究.pdf

1、在過去的百年，全球平均地表溫度已經(jīng)上升了0.74℃，預(yù)計到本世紀末升高幅度將達到1.8-4.0℃。全球氣候變化很可能(>90％)是由于人類活動導致的CO2等溫室氣體排放劇增所引起的。因此，溫室氣體減排已經(jīng)成為科學界、政界以及公眾的熱門話題。全球土壤有機碳庫是大氣碳庫和地上生物量碳庫的2-3倍。土壤碳庫的微小變化即可能對大氣CO2濃度產(chǎn)生顯著影響。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。而且，相對于自然生態(tài)系統(tǒng)，由于長期集約化的耕作，農(nóng)

2、田土壤有機碳含量一般遠低于自然土壤。另外，土壤有機碳的水平是農(nóng)田肥力的重要指標。因此，通過作物將大氣CO2固定在土壤中，也是提高農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要途徑。中國是世界上最重要的水稻生產(chǎn)國之一。盡管稻田是CH4的主要排放源之一，但是，日益增多的證據(jù)表明，稻田土壤有機碳含量顯著高于旱地，碳匯功能強大，固碳潛力突出。但是，以往的研究多側(cè)重于溫室氣體方面，在土壤碳分析上則集中于總體碳庫的評價上，對微觀碳組分和稻田土壤固碳優(yōu)勢形成機理的研究較少。土

3、壤有機碳庫是由復(fù)雜的有機物組合而成，不同有機碳庫具有不同的活性和穩(wěn)定性。研究稻田土壤有機碳組分的變化有利于明確稻田土壤固碳的穩(wěn)定性及其保護機制。土壤有機碳的固定和保持是一個生物、物理、化學的綜合過程，其中土壤團聚體保護是土壤有機碳穩(wěn)定的重要機制之一，而基于土壤團聚體分組的土壤有機碳組分分析，是研究土壤有機碳物理保護機制的重要手段。本文在系統(tǒng)掌握我國稻田土壤固碳優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，利用13C自然豐度和土壤有機碳物理分組相結(jié)合技術(shù)，通過對稻田與旱

4、地典型樣點的剖析與歸納，從有機碳組分的角度著手，來闡明稻田土壤固碳的組分特征及其團聚體的物理保護機制，并結(jié)合長期定位試驗和區(qū)域綜合分析(Meta分析)，闡明有機質(zhì)投入、持續(xù)淹水的時間、稻作模式和稻作年限對稻田土壤固碳的影響，進而明確保持稻田土壤固碳優(yōu)勢的技術(shù)途徑。主要結(jié)果如下：
　　 ⑴對單季稻田轉(zhuǎn)換為旱地(玉米田)19年后土壤有機碳及其組分的響應(yīng)特征，以及不同有機碳組分的周轉(zhuǎn)和更新速率的研究表明，長期種植旱地作物后，農(nóng)田土壤有

5、機碳和總氮含量顯著下降。相同歷史背景下，稻田土壤總有機碳和總氮的濃度分別比玉米田高76.7％和47.6％。稻田包裹態(tài)顆粒有機質(zhì)(oPOM)和礦物結(jié)合有機質(zhì)(MOM)在土壤中的濃度均是玉米田的2倍，但游離態(tài)顆粒有機質(zhì)(fPOM)差異不顯著。稻田土壤oPOM和MOM自身碳的濃度均顯著高于玉米地，fPOM則相反。特別是oPOM組分，稻田是玉米地的近6倍。表明稻田團聚體保護碳的能力高于旱地。稻田轉(zhuǎn)換為玉米地19年后，各組分δ13C值顯著升高。f

6、POM、oPOM和MOM中來自玉米的新碳的比例分別達到了54.6％、24.7％和19.0％，平均駐留時間(MRT)依次增大，分別達到24、67和90年。
　　 ⑵典型旱作制農(nóng)田(夏玉米-冬小麥)轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿?水稻-冬小麥)18年后，土壤有機碳含量顯著增加，升高幅度達12.9％。種植方式轉(zhuǎn)變顯著影響了土壤團聚體的分布。與旱作農(nóng)田相比，長期水旱輪作后土壤53-250μm級別微團聚體的比重顯著下降，而<53μm粘粉粒的比例則顯著上升

7、。而對>2000μm和250-2000μm粒徑大團聚體在土壤中的比例無顯著影響。旱作制農(nóng)田長期轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿黠@著提高了各級別土壤團聚體碳的濃度，但<53μm粘粉粒除外。與旱作制農(nóng)田相比，長期轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿黠@著增加了粗顆粒有機質(zhì)(cPOM)和fPOM碳的含量。而cPOM和fPOM組分屬于未被保護的易分解土壤有機碳，更新速率較快。因此，雖然旱作制農(nóng)田長期轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿骱笸寥揽傆袡C碳的含量顯著增加，但并沒有發(fā)現(xiàn)所固定的碳向穩(wěn)定性碳庫中顯著轉(zhuǎn)移

8、。
　　 ⑶對兩個開墾年代相似，近20多年分別一直種植雙季稻和雙季玉米的紅壤長期定位試驗地土壤有機碳及其組分特征的研究表明，水田土壤總有機碳和總氮的濃度分別是旱地的2.2倍和2.5倍。與試驗前相比，水稻種植顯著提高了土壤有機碳的含量，增幅達30.8％，而旱地的前后差異不顯著。在所有團聚體粒徑水平上，水田有機碳的濃度均顯著高于旱地。其中53-250μm微團聚體相差最大，水田是旱地的近3倍。水田微團聚體保護碳(iPOM m)在土壤中

9、的濃度是旱地的4.2倍，微團聚體保護碳在總有機碳中的比重也顯著高于旱地，達到25.5％，是旱地的2倍。水田和旱地iPOM m組分碳的差異能夠解釋其總有機碳差異的42.8％。紅壤稻田土壤有機碳向微團聚體內(nèi)的聚集有利于增強土壤有機碳的穩(wěn)定性和碳的長期保存。
　　 ⑷對長期進行不同施肥措施的雙季稻田土壤有機碳分析發(fā)現(xiàn)，與試驗開始時相比，長期雙季水稻種植(27年)顯著提高了稻田土壤有機碳的濃度。對照(Control)、氮肥(N)、氮磷鉀

10、配施(NPK)和氮磷鉀與有機肥配施處理(NPK+FYM)土壤有機碳濃度分別比試驗開始時增加了28.8％、30.1％、30.8％和61.6％。有機肥施用促進了土壤大團聚體(>2000μm和250-2000μm)的形成，但施用化肥(N和NPK)對土壤團聚體分布無顯著影響。與Control相比，化肥施用對土壤總有機碳和所有有機碳組分的濃度均無顯著影響。而施用有機肥顯著提高了土壤總有機碳和各碳組分的濃度，但cPOM組分除外。土壤有機碳大部分分布

11、在微團聚體外的粘粉粒(s+c_f)和iPOM m組分之中，其占總有機碳的比例分別達到46.4-49.6％和25.1-27.2％。而且，Control和NPK+FYM處理iPOM m和s+c_f組分碳的差異可以分別解釋其總有機碳差異的53.2％和38.8％。因此，長期有機肥施用下紅壤稻田土壤增加的有機碳主要儲存于較為穩(wěn)定的組分之中(即iPOM m和s+c_f)，這有利于碳的長期保存。
　　 ⑸運用meta分析方法，本文評價了不同稻

12、作模式及其年限對我國稻田土壤有機碳儲存的影響。結(jié)果表明，與試驗初始值相比，雙季水稻種植(DR)可以使土壤有機碳含量增加9％，即使在無任何肥料施用(Control)的情況下，但在單季稻(SR)和水旱輪作(RU)系統(tǒng)中無顯著效應(yīng)。在氮磷鉀肥配施(NPK)條件下，此三種稻作系統(tǒng)土壤有機碳的含量均顯著提高，而且，增幅順序為DR>RU>SR。稻田土壤有機碳的含量隨稻作年限的增加而增加。長期水稻種植超過20年以上可以使Control和NPK處理稻田

13、土壤有機碳分別提高15％和23％。
　　 ⑹上述結(jié)果進一步證明了稻田土壤比相應(yīng)的旱地土壤更具固碳優(yōu)勢，但在不同稻作系統(tǒng)中，土壤有機碳增加的幅度以及固碳的質(zhì)量有所差異。雖然水稻種植均有利于土壤有機碳的積累，但與水旱輪作相比，長期持續(xù)性淹水(單季稻和雙季稻系統(tǒng))能顯著提高土壤團聚體對有機碳的物理保護作用。有機肥施用不僅增加了稻田土壤有機碳的含量，而且顯著提高了微團聚體對土壤有機碳的物理保護，有利于有機碳的長期儲存。大尺度分析表明，與