长期不同施肥下紫色水稻土有机碳变化特征及影响机制

摘要

土壤碳循环是陆地生态系统的基本过程，也是温室气体的重要的源或汇，在全球气候和环境变化中扮演着重要角色。同时，土壤有机碳影响土壤物理、化学和生物学等一系列性质和过程，提升土壤有机碳对于维持土壤肥力、提高生产力、确保粮食安全有重要意义。紫色水稻土是我国重要的农业土壤，集中分布在四川盆地，该区域是我国重要的粮食生产区域之一。施肥是影响土壤有机碳变化的重要农田管理措施，土壤有机碳的变化是一个相对缓慢的过程，长期试验是研究土壤有机碳变化、揭示其变化机制的重要平台。
　　本文利用重庆市北碚区“国家紫色土肥力与肥料效应监测基地”的长期定位施肥试验，选取水稻-小麦轮作体系不施肥（CK）、单施氮肥（N）、磷钾配施（PK）、氮钾配施（NK）、氮磷配施（NP）、氮磷钾配施（NPK）、氮磷钾配施+秸秆还田（NPKS）、高量氮磷钾配施+秸秆还田（1.5NPKS）和氮磷钾配施+畜禽粪尿肥（NPKM）处理，利用保存的历史土壤样品和历年的作物产量数据，通过分析土壤有机碳的时间序列变化，计算土壤固碳量、碳输入量和固碳效率，明确不同施肥处理下紫色水稻土的固碳特征；采用粒径、密度、化学分组方法，研究长期不同施肥下紫色水稻土有机碳不同活性和稳定性组分的变化，明确长期施肥对土壤有机碳质量的影响以及矿物化学保护机制；利用稳定性同位素和核磁共振技术，研究团聚体有机碳的结构和周转特征，揭示施肥影响紫色水稻土有机碳的生物化学保护机制；结合团聚体分组与核磁共振、稳定性同位素技术，研究长期施肥对不同粒径团聚体有机碳数量和性质的影响，探讨团聚体与有机碳周转的关系以及施肥影响有机碳的团聚体保护机制；为促进紫色水稻土固碳、提高土壤生产力、实现区域农业可持续发展提供理论依据。主要研究结果如下：
　　1.长期不同施肥下紫色水稻土有机碳变化特征
　　22年长期不同施肥显著影响了紫色水稻土有机碳含量及储量，有机肥与化肥配施土壤有机碳含量显著高于化肥和不施肥处理，有机肥与化肥配合施用的土壤有机碳含量比试验前提高18％-25%，其中化肥配施秸秆还田处理提升效果优于化肥配施厩肥处理；单施化肥的各处理土壤有机碳含量与试验前相比总体上稳中有升，以氮磷和氮磷钾配施提高幅度最大（比试验前提高16%）。从演变趋势上看，不施肥 CK、N、PK处理土壤有机碳含量与试验前差异不大，在低水平上保持平衡；其他处理有机碳随着试验年限快速提高。
　　土壤固碳量、碳输入量和固碳效率结果表明，22年有机肥与化肥无机配合施用处理土壤固碳量和速率分别为5.4-8.3t/ha和244-378t/ha/yr；化肥处理土壤固碳量为6.6-7.1t/ha，固碳速率为302-322kg/ha/yr。相对于不施肥和化肥偏施处理，氮磷钾化肥平衡施用以及化肥配施有机肥通过提高作物根茬等有机碳归还量，提高了土壤有机碳储量、固碳量和固碳速率。土壤有机碳存在饱和和平衡水平，有机碳投入存在报酬递减率，随有机碳输入量提高，土壤固碳的边际效率逐渐下降。
　　长期施肥显著提高水稻和小麦产量，稻麦产量与土壤有机碳含量呈显著的正相关，土壤有机碳含量每提升1 g/kg，水稻籽粒产量提高627 kg/ha，小麦提高313 kg/ha。可见，有机肥与化肥配合施用，是促进紫色水稻土固碳和产量提升的重要施肥管理措施。
　　2.长期不同施施肥对紫色水稻土有机碳组分的影响
　　长期不同施肥比不施肥提高了有机碳各活性组分的含量，改善了土壤有机碳质量。化肥配施秸秆还田效果最佳，溶解性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（POXC）、轻组有机碳（LF-C）颗粒态有机碳（POM-C）分别比不施肥提高了30.5%、43.8%、59.5%和19.3%。土壤有机碳各活性组分与总有机碳含量呈显著正相关，是反映总有机碳变化的敏感指标。
　　长期施肥比不施肥提高了有机碳稳定性组分的含量，包括矿物结合态有机碳（MOM-C）、重组有机碳（HF-C）及不同化学结合态有机碳，化肥配施秸秆还田提高幅度最大。铁铝键结合态有机碳（Fe/Al-OC）和胡敏素态有机碳（Humin-OC）的变化解释了总有机碳变化的43.1%和48.0%，二者之间存在显著正相关关系。土壤有机碳通过铁铝离子及氧化物的化学保护，进一步形成结构稳定的胡敏素，是紫色水稻土有机碳累积的重要机制。
　　3.长期不同施肥对紫色水稻土团聚体有机碳的影响
　　紫色水稻土团聚体分布以微团聚体（250-53μm）为主，其次为大团聚体（>250μm）和粉粘组分（<53μm）。与不施肥相比，长期施肥促进了大团聚体形成，大团聚体的重量比例增加，微团聚体比例下降，团聚体平均重量直径增加，团聚体稳定性提高。长期施肥强化了团聚体对有机碳的物理保护。
　　长期施肥提高了各粒径团聚体有机碳和活性有机碳含量，化肥配施秸秆还田提升幅度最高。土壤总有机碳含量与大团聚体、微团聚体和粉粘组分有机碳呈显著正相关，表明有机碳的累积取决于各粒径团聚体有机碳的变化；各粒径团聚体对总有机碳变化的贡献以大团聚体最大，其次微团聚体，粉粘组分最小。大团聚体和微团聚体的物理保护作用在土壤固碳中起着重要作用，不同处理间大团聚体有机碳变化幅度最大，对施肥的响应敏感，而微团聚体重量比例最高，是土壤固碳的主要场所。
　　4.长期不同施肥对土壤有机碳结构和周转的影响
　　利用稳定性同位素和核磁共振分析技术，研究长期不施肥 CK、氮磷钾配施 NPK、化肥配施秸秆 NPKS对总有机碳和团聚体有机碳的周转和化学结构的影响。稳定性同位素分析表明，长期施肥后土壤δ13C值比试验初降低，趋向于水稻和小麦植株的δ13C值，表明施肥促进有机物归还及秸秆还田，促进了土壤有机碳的周转。NPK和 NPKS处理大团聚体、微团聚体和粉粘组分有机碳δ13C值均比不施肥降低，NPKS处理降低幅度更大，施肥促进了各粒径团聚体有机碳的周转。
　　核磁共振结果表明，紫色水稻土烷氧碳相对含量最高，其次为烷基碳，芳香碳和羰基碳比例较小，表明土壤有机质是脂族本质，而非芳香本质。与不施肥土壤相比，长期施肥提高了耕层土壤有机碳的结构稳定性，但降低了下层土壤有机碳的结构稳定性。耕层土壤NPK处理烷氧碳降低、芳香碳和羰基碳增加，烷基碳/烷氧碳比和芳香度提高；NPKS处理烷基碳增加、烷氧碳降低，烷基碳/烷氧碳比提高。NPK和NPKS处理对下层土壤的影响一致，烷氧碳提高，烷基碳、芳香碳和羰基碳含量降低，烷基碳/烷氧碳比和芳香度下降，NPKS处理变化幅度大于NPK处理。
　　团聚体有机碳结构分析表明，长期施肥主要通过微团聚体和粉粘组分的结构稳定性提高耕层土壤总有机碳的稳定性，微团聚体和粉粘组分有机碳结构与总有机碳变化一致，而大团聚体烷基碳下降、烷氧碳增加、烷基碳/烷氧碳比降低、芳香度增加。长期施肥对下层土壤各粒径团聚体有机碳结构的影响与总有机碳一致，表现为烷基碳含量下降、烷氧碳增加、烷基碳/烷氧碳比下降，有机碳稳定性下降。
　　综上所述，长期有机无机肥配合施用提高了土壤有机碳输入和周转，有机碳在大团聚体和微团聚体的物理保护以及土壤矿物的化学保护下，逐渐累积并增强了结构稳定性，从而提高紫色水稻有机碳数量和质量。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1土壤固碳与气候变化

1.2土壤固碳与土壤质量

1.3土壤有机碳分组方法

1.4土壤有机碳稳定机制

1.5土壤固碳的影响因素

第2章 绪论

2.1研究背景

2.2研究目标

2.3研究内容

2.4技术路线

第3章 长期不同施肥下紫色水稻土的固碳特征2

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4讨论

3.5结论

第4章 长期施肥对紫色水稻土有机碳组分的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与分析

4.4讨论

4.5结论

第5章 长期施肥对紫色水稻土团聚体有机碳的影响

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果与分析

5.4讨论

5.5结论

第6章 长期施肥对紫色水稻土有机碳结构和周转的影响

6.1引言

6.2材料与方法

6.3结果与分析

6.4讨论

6.5结论

第7章 主要结论、创新点与研究展望

7.1主要结论

7.2创新点

7.3研究展望

参考文献

缩写词表

致谢

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