不同水分条件下异源有机物料对黑土活性碳库影响

摘要

当前;全球极端天气、气候事件频发;作物生长环境恶化;提高农业适应能力是应对气候变化的主要对策。黑土区是我国重要的粮食产区;气候变化加剧黑土的退化;威胁了粮食安全。土壤活性有机碳对耕作及环境因素极为敏感;与土壤生产力高度相关;颗粒有机碳被认为是反映土壤碳储最重要的活性碳指标;而有机培肥是最重要的土壤改良措施。因此;本文选取4种不同来源的有机物料研究了不同水分条件下异源（不同来源）有机物料对黑土活性碳库（尤其是颗粒有机碳）的影响;探讨颗粒有机碳在固碳中的作用;以期明确能够应对降雨变化;利于黑土改良的最佳有机物料来源;为短期内寻求应对气候变化的土壤有机改培措施;提供了新的视角;奠定了一定的理论基础。通过3年的田间定位试验;结合5年的室内培养试验;分析得出以下结论： 作物生长季;自然降雨条件下;树叶培肥最利于黑土保水及碳储;其含水量及 SOC的年均增长率分别为7.7%和8.1%;且秸秆和树叶培肥PMC显著低于牛粪和鸡粪;长期秸秆和树叶培肥大幅提高了DOC和MBC;其年均增长率大于70%;牛粪和鸡粪培肥则提高了LFOC和POC;其年均增长率大于15%;水分亏缺条件下;长期鸡粪培肥的含水量有大幅提高的趋势;但其碳储能力较低;牛粪培肥的保水性下降;但碳储能力增强;其DOC 和 MBC 增长率大幅下降;秸秆培肥有机碳矿化大幅下降;其 PMC 年均增长率为13.4%;形成了更多的LFOC和POC;树叶培肥则形成了更多相对稳定的有机碳;水分过量条件下;长期有机培肥有大幅提高含水量的趋势;秸秆培肥的碳储能力大幅降低;但其有机碳矿化略有下降;而鸡粪培肥有机碳矿化作用显著增强;其 PMC 年均增长率为22.5%;牛粪和树叶培肥的LFOC和POC/SOC显著降低;更利于固碳。 休耕季;自然降雨条件下;有机培肥提高了黑土的保水能力及 SOC;秸秆和树叶培肥SOC在冻融期的损失加快;年均损失率约4%;牛粪和鸡粪培肥DOC、MBC、LFOC和 POC 在冻融期的损失加快;但牛粪培肥有机碳矿化在冻融期显著增强;其 PMC 约提高了121%;水分亏缺条件下;长期鸡粪培肥保水及碳储能力提高;有机碳矿化减弱;在冻融期DOC及MBC损失加快;但LFOC累积加快;POC损失减缓;水分过量条件下;牛粪培肥保水及碳储能力提高;鸡粪培肥冻融期的PMC年均下降率为17.7%;秸秆培肥冻融期的LFOC损失加快;POC/SOC提高;其长期培肥的POC/SOC有下降的趋势;但PMC下降率最低（8.9%）;有一定的固碳效果;但显著弱于其他有机培肥。 有机培肥通过提高深层土壤含水量改善了水分的剖面运移;抑制了深层有机碳的矿化;促进了SOC向深层累积;进而影响了POC的垂直分布;尤其是POC/SOC。POC以烷基碳和烷氧碳为主;红外光谱可用于POC的初步筛选。POC以烷氧碳的形式累积（POC与烷氧碳显著正相关;r=0.478;p<0.05）;其降解主要来自于羰基碳的分解转化;其稳 定性由脂肪碳结构的稳定性决定;有机培肥改变了黑土剖面POC的分子组成;尤其是含氧官能团和长链脂肪碳的含量。水分条件主要影响了羰基碳;有机物料则主要影响了烷氧碳和芳香碳;水分过量促进了POC脂肪碳的形成。有机物料激发了20~40cm固有有机碳向POC转化;牛粪和鸡粪培肥累积的POC集中在0~40cm土层;约占0~60cm土层的87%。水分亏缺时;鸡粪培肥POC结构趋于简单化;但降低了POC/SOC;形成了更多相对稳定的有机碳;固碳深度达到40cm;水分过量时;牛粪培肥提高了20~40cm土层有机碳的活性;更新了深层有机碳;但促进了长链复杂脂肪碳的形成;整体提高了40cm以上土层的碳储。秸秆培肥以在0~20cm累积POC的形式提高碳储;但水分变化时激发了深层固有有机碳向POC转化;并促使POC结构趋于简单化;尤其是水分过量时。树叶培肥促进了芳香碳的形成;缓解了水分变化对POC的影响;驱动了20~60cm土层POC的腐殖化;尤其是40~60cm土层;更利于深层固碳。 有机培肥提高了百粒重及产量。与自然降雨相比;水分亏缺和过量导致玉米显著减产;有机培肥减缓减产;保证了玉米籽粒的饱满度。自然降雨、水分亏缺和水分过量条件下有机培肥的平均增产量分别为 17.5%、37.2%和 15.9%;但与自然降雨时对照的年均产量（14612 kg hm-1）相比;水分亏缺时;仅树叶培肥（年均产量为14640 kg hm-1）达到了保产的目的;水分过量时;牛粪培肥增产7.1%;秸秆和树叶培肥的年均产量（14930 kg hm-1、14475 kg hm-1）接近于对照。PMC与百粒重极显著正相关（r=0.108;p<0.01）;但与产量极显著负相关（r=-0.204;p<0.01）;POC与SOC的相关系数（r=0.389）大于LFOC （r=0.253）;其更能反映土壤的碳储状况;而LFOC与百粒重及产量极显著正相关（r=0.024;r=0.133;p<0.01）;其更能反映玉米质量及产量。 综上所述;以保产为前提;从深层固碳的角度来看;树叶的水分调节能力最强;牛粪抗涝不抗旱;鸡粪在水分亏缺时有一定的固碳作用;但不保产;秸秆在水分过量时能够保产;但固碳作用相对较弱。

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