南方典型稻田土壤有機(jī)碳固定機(jī)制研究——基于長(zhǎng)期試驗(yàn)及跨地域統(tǒng)計(jì)分析.pdf

1、農(nóng)業(yè)土壤固碳作為《京都協(xié)議書》認(rèn)可的固碳措施之一，對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)力和應(yīng)對(duì)氣候變化具有雙贏的積極效應(yīng)。國(guó)際農(nóng)業(yè)土壤固碳研究也一直十分活躍。目前對(duì)土壤固碳的容量及庫(kù)間的分配、轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定已經(jīng)積累了大量的研究資料和認(rèn)識(shí)，并隨著現(xiàn)代有機(jī)質(zhì)分析技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)深入到分子水平的固碳機(jī)理研究。目前關(guān)于不同農(nóng)業(yè)管理措施下土壤有機(jī)碳及其組分的分布已有較多的研究報(bào)道，而稻田土壤作為我國(guó)特色的耕作土壤，其固碳潛力較大，固碳效應(yīng)明顯，在我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化中具有舉足輕重的

2、作用。因此，闡明稻田土壤固碳的機(jī)理對(duì)于發(fā)展增產(chǎn)和減排共贏的稻作農(nóng)業(yè)技術(shù)，增強(qiáng)稻作農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力具有重要意義。本研究以我國(guó)南方典型稻田土壤為對(duì)象，采用典型系統(tǒng)解剖和跨地域統(tǒng)計(jì)分析，研究長(zhǎng)期試驗(yàn)體系中不同施肥管理下土壤有機(jī)碳含量變化及其團(tuán)聚體有機(jī)碳組分分配的變化，并以活性有機(jī)碳組分-顆粒有機(jī)碳為代表，解剖稻田土壤有機(jī)質(zhì)積累中有機(jī)碳組分的化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制，以闡明有機(jī)碳變化與環(huán)境因素、作物生產(chǎn)的關(guān)系，揭示有機(jī)碳積累中不同組分的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，詮釋

3、稻田土壤有機(jī)碳固定中物理保護(hù)-化學(xué)結(jié)合和穩(wěn)定的作用，充實(shí)稻田土壤有機(jī)碳固定機(jī)制的認(rèn)識(shí)。并在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)探討有機(jī)碳固定的途徑和方法，為國(guó)家發(fā)展可持續(xù)稻作農(nóng)業(yè)和固碳減排技術(shù)提供依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　 一、顆粒有機(jī)碳的積累是指示稻田土壤固碳的敏感性指標(biāo)
　　 以太湖地區(qū)黃泥土為例，研究了長(zhǎng)期不同施肥下顆粒有機(jī)碳(POC)的含量變化。結(jié)果表明：本體土壤(bulk soil)中TOC和POC的深度分布均符合冪函數(shù)方程（

4、Y=aX-b）。不同的施肥處理主要影響耕層土壤的TOC和POC含量及其分配比例，而并未改變其深度分布格局。有機(jī)無機(jī)肥配施下由于有機(jī)物質(zhì)的輸入其TOC和POC含量顯著高于其它處理。另外，太湖地區(qū)黃泥土的水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSAs)組成以＞2mm和2-0.25mm粒徑為主，施肥下＞2mm粒徑的WSAs顯著增加，并伴隨2-0.25mm粒徑的明顯減少。POC主要存在于＞2mm粒徑的WSAs中，并隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而明顯減少。＞2mm粒徑WSAs中

5、的POC對(duì)施肥的響應(yīng)較為敏感，以化肥與秸稈配施下該粒徑的POC積累最為明顯.而化肥與豬糞配施則顯著增加了2-0.25mm和0.25-0.053mm粒徑的POC含量。土壤不同層次WSAs中POC的來源不同，在0-5cm表層可能主要來源于作物生物量的輸入，而在5-15cm土層則可能跟外源有機(jī)物的施入有關(guān).
　　 二、稻田土壤固碳存在著粗團(tuán)聚體的物理保護(hù)及氧化鐵的化學(xué)結(jié)合機(jī)制
　　 在本課題組對(duì)長(zhǎng)期試驗(yàn)下紫泥田、紅泥砂田和太湖

6、地區(qū)黃泥土團(tuán)聚體顆粒組SOC及其鍵合形態(tài)分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用跨區(qū)域分析探討稻田土壤固碳的團(tuán)聚體物理保護(hù)和氧化鐵化學(xué)結(jié)合機(jī)制.結(jié)果表明：直徑為2000-200μm的粗團(tuán)聚體作為新增有機(jī)碳的主要載體，隨長(zhǎng)期不同耕作和施肥的變化最為強(qiáng)烈，其中又以紅泥砂田的有機(jī)碳(SOC)變化最為明顯，說明其良好管理下的有機(jī)碳累積效應(yīng)最為顯著。統(tǒng)計(jì)分析表明，本體土壤SOC積累量與2000-200μm粗團(tuán)聚體SOC積累量之間的關(guān)系可用拋物線方程擬合（R2=0.

7、95,n=8）.長(zhǎng)期試驗(yàn)下粗團(tuán)聚體對(duì)新固定有機(jī)碳的物理保護(hù)可能存在某種飽和機(jī)理。計(jì)算表明，供試稻田土壤的粗團(tuán)聚體物理保護(hù)在長(zhǎng)期試驗(yàn)期內(nèi)還未達(dá)到其飽和限。同時(shí)，紅泥砂田的粗團(tuán)聚體保護(hù)作用最強(qiáng)，仍然具有明顯的固碳潛力。
　　 三、有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是稻田土壤顆粒有機(jī)碳穩(wěn)定積累的重要化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制
　　 采用固體交叉極化魔角自旋13C核磁共振(CPMAS13C-NMR)波譜技術(shù)對(duì)長(zhǎng)期不同施肥下紅泥砂田和太湖地區(qū)黃泥土POC的化學(xué)

8、結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，以揭示稻田土壤固碳的化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制。結(jié)果表明，本體土壤和WSAs中POC的結(jié)構(gòu)組成相似，主要以烷氧C為主，其次為烷基C和芳香C。施肥改變了本體土壤POC各類C原子的相對(duì)含量，化肥配施有機(jī)肥下烷氧C明顯降低，伴隨芳香C和酚基C不同程度的增加，使得芳香度和疏水性增強(qiáng)，表明POC的穩(wěn)定性增強(qiáng)；而單施化肥下烷氧C最高，烷基C和芳香C均最低，導(dǎo)致芳香度和疏水性降低，從而POC的穩(wěn)定性減弱。施肥還改變了太湖地區(qū)黃泥土WSAs中PO

9、C不同C原子的相對(duì)含量，使得POC對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性作用發(fā)生變化。而紅泥砂田WSAs中POC各類C原子的分配并未明顯受到施肥的影響。
　　 而運(yùn)用熱裂解氣相質(zhì)譜（Pyr-TMAH-GC/MS）技術(shù)對(duì)太湖地區(qū)黃泥土POC的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行的進(jìn)一步研究表明，各施肥處理下POC的熱裂解產(chǎn)物主要以脂肪族化合物和木質(zhì)素類化合物為主。脂肪族化合物主要為C8-C30脂肪酸酯（FAMEs），且大多為偶數(shù)碳結(jié)構(gòu)。施肥改變了各裂解產(chǎn)物在本體土壤和WSAs

10、中的分布，從而使得不同施肥處理下各類化合物對(duì)POC穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)出現(xiàn)了差異?；逝涫┴i糞下木質(zhì)素類化合物以及微生物源的脂肪族化合物均貢獻(xiàn)于本體土壤POC的積累與穩(wěn)定，而化肥配施秸稈下本體土壤POC的化學(xué)穩(wěn)定性主要?dú)w因于高等植物源和微生物源脂肪族化合物的共同貢獻(xiàn)。化肥配施有機(jī)肥下WSAs中較高的POC主要?dú)w因于植物源有機(jī)質(zhì)的分解貢獻(xiàn)而非微生物本身。本研究揭示了化肥配施有機(jī)肥下POC的疏水性組分在提高其化學(xué)抗性和穩(wěn)定性中的重要作用。
　

11、　 四、合理的施肥措施促進(jìn)稻田土壤作物碳同化和與土壤碳固定效應(yīng)
　　 在稻田土壤內(nèi)部有機(jī)碳固定機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步探討稻田土壤固碳的土壤-作物系統(tǒng)關(guān)系，以太湖地區(qū)黃泥土的長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)為典型案例，分析了不同施肥處理對(duì)作物碳同化及土壤碳固定的影響。結(jié)果表明，施肥對(duì)水稻產(chǎn)量有顯著影響，尤其以有機(jī)無機(jī)肥配施處理水稻產(chǎn)量顯著最高且最為穩(wěn)定。施肥顯著提高了耕層土壤碳密度，固碳速率以有機(jī)無機(jī)肥配施處理顯著高于單施化肥處理。相關(guān)性

12、分析表明，土壤固碳速率與作物輸入碳+有機(jī)肥源碳的總輸入量呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。這提示土壤有機(jī)碳積累主要與作物產(chǎn)量有關(guān)，而并非依變于有機(jī)肥源碳輸入。因此，與作物產(chǎn)量直接關(guān)聯(lián)的作物碳輸入的增加是提高土壤碳固定的重要途徑。肥料N素對(duì)水稻碳同化和土壤碳固定的效應(yīng)均為化肥配施有機(jī)肥處理顯著高于單施化肥處理。這揭示化肥配施有機(jī)肥是提高與穩(wěn)定稻田生產(chǎn)力和促進(jìn)土壤固碳與溫室氣體減排的雙贏措施。
　　 五、外源碳輸入貢獻(xiàn)于稻田土壤的有效固碳，但

13、因土壤類型而異
　　 在對(duì)太湖地區(qū)黃泥土施肥下作物碳同化與土壤碳固定案例分析的基礎(chǔ)上，通過收集我國(guó)南方4種典型稻田土壤（紫泥田、紅泥砂田、太湖地區(qū)黃泥土和青紫泥）長(zhǎng)期不同施肥下的土壤有機(jī)碳及作物產(chǎn)量的年際數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析不同類型稻田土壤固碳的土壤-作物關(guān)聯(lián)機(jī)制。結(jié)果表明：不同施肥處理下的土壤年均固碳量線性依存于年均碳輸入增量，施肥措施主要通過增加外源碳輸入來促進(jìn)土壤的有效固碳，單位碳輸入增加下以紫泥田和紅泥砂田的年均固碳量相對(duì)較

14、高。良好施肥下的飽和固碳量以紅泥砂田的明顯最高，其次為青紫泥。統(tǒng)計(jì)分析表明，施肥下不同類型稻田土壤的固碳效率（碳輸入增量與土壤固碳的線性關(guān)系斜率）主要受到初始有機(jī)碳水平的控制，而與黏粒之間的相關(guān)性并不明顯。不同類型稻田土壤的飽和固碳量與游離氧化鐵以及降水量之間有著密切的正相關(guān)關(guān)系.可見，稻田土壤中活躍的氧化鐵對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的提高起著積極的促進(jìn)作用，而黏粒并非土壤固碳的控制因子.施肥下稻田土壤的有效固碳還促進(jìn)了肥料N素的農(nóng)學(xué)效率。氣候可能是

15、影響稻田土壤碳儲(chǔ)量變化的另一主導(dǎo)因子.
　　 六、稻田土壤氧化鐵可有效輔助農(nóng)業(yè)固碳減排
　　 在固碳機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，通過選取水稻秸稈、豬糞、污泥和顆粒有機(jī)肥，添加氧化鐵后分別進(jìn)行室內(nèi)好氣培養(yǎng)(25℃)和田間填埋礦化（夏季），以探索農(nóng)業(yè)固碳減排的技術(shù)途徑。結(jié)果表明：好氣培養(yǎng)條件下，氧化鐵明顯降低了水稻秸稈、豬糞、污泥和顆粒有機(jī)肥的CO2釋放速率，整個(gè)培養(yǎng)期間的CO2累積釋放量分別由未添加氧化鐵的10934.45、5426

16、.12、5288.43和794.90mg CO2-C kg-1降低為添加氧化鐵的125.47、1535.15、1473.36和498.72 mg CO2-C kg-1，以水稻秸稈的效果最為顯著。田間填埋條件下，除了顆粒有機(jī)肥的有機(jī)碳降解速率基本未受氧化鐵影響外，其余三種有機(jī)物料在每一取樣階段的有機(jī)碳降解速率均受到了氧化鐵的有效抑制。填埋90天后，水稻秸稈、豬糞和污泥的有機(jī)碳降解速率分別由未添加氧化鐵的34.06％、14.91％和19.9

17、0％，降低為添加氧化鐵的24.25％、9.45％和14.24％，也以水稻秸稈的效果最為明顯?？梢?，無論是室內(nèi)好氣培養(yǎng)還是田間填埋礦化，氧化鐵均表現(xiàn)出對(duì)有機(jī)物料礦化降解的有效抑制作用，具有明顯的有機(jī)碳固持能力。
　　 綜上所述，稻田土壤有機(jī)碳的固定機(jī)制主要表現(xiàn)為團(tuán)聚體物理保護(hù)、氧化鐵化學(xué)結(jié)合和分子結(jié)構(gòu)化學(xué)穩(wěn)定的共同作用，從而構(gòu)成稻田土壤特色的固碳機(jī)理。而黏粒保護(hù)理論并不足以解釋普遍觀察到的稻田土壤有機(jī)碳快速積累的原因。并且，這種固

18、定的有機(jī)碳主要來源于外源碳輸入的貢獻(xiàn)，但是這種貢獻(xiàn)也因土壤類型和土壤組成分的不同而異，進(jìn)而影響到稻田土壤固碳的飽和趨勢(shì)。外源碳輸入貢獻(xiàn)與稻田土壤內(nèi)在的有機(jī)碳固定機(jī)制相輔相成，共同促進(jìn)稻田土壤碳儲(chǔ)量和固碳潛力的提高。今后還需加強(qiáng)對(duì)較大區(qū)域尺度和氣候背景下的有機(jī)碳固定機(jī)制的研究，以區(qū)分不同的固碳機(jī)制在不同類型土壤中的相對(duì)重要性和相對(duì)貢獻(xiàn)，并探討氣候在農(nóng)業(yè)土壤固碳中的作用。另外，加強(qiáng)固碳機(jī)制基礎(chǔ)上固碳技術(shù)的開發(fā)研究，以尋求快速有效的固碳方法與