基于碳组分分析的稻田土壤固碳优势及其保持途径研究

摘要

在过去的百年，全球平均地表温度已经上升了0.74℃，预计到本世纪末升高幅度将达到1.8-4.0℃。全球气候变化很可能(>90％)是由于人类活动导致的CO2等温室气体排放剧增所引起的。因此，温室气体减排已经成为科学界、政界以及公众的热门话题。全球土壤有机碳库是大气碳库和地上生物量碳库的2-3倍。土壤碳库的微小变化即可能对大气CO2浓度产生显著影响。农业生态系统是陆地生态系统的重要组成部分。而且，相对于自然生态系统，由于长期集约化的耕作，农田土壤有机碳含量一般远低于自然土壤。另外，土壤有机碳的水平是农田肥力的重要指标。因此，通过作物将大气CO2固定在土壤中，也是提高农田系统生产力的重要途径。中国是世界上最重要的水稻生产国之一。尽管稻田是CH4的主要排放源之一，但是，日益增多的证据表明，稻田土壤有机碳含量显著高于旱地，碳汇功能强大，固碳潜力突出。但是，以往的研究多侧重于温室气体方面，在土壤碳分析上则集中于总体碳库的评价上，对微观碳组分和稻田土壤固碳优势形成机理的研究较少。土壤有机碳库是由复杂的有机物组合而成，不同有机碳库具有不同的活性和稳定性。研究稻田土壤有机碳组分的变化有利于明确稻田土壤固碳的稳定性及其保护机制。土壤有机碳的固定和保持是一个生物、物理、化学的综合过程，其中土壤团聚体保护是土壤有机碳稳定的重要机制之一，而基于土壤团聚体分组的土壤有机碳组分分析，是研究土壤有机碳物理保护机制的重要手段。本文在系统掌握我国稻田土壤固碳优势的基础上，利用13C自然丰度和土壤有机碳物理分组相结合技术，通过对稻田与旱地典型样点的剖析与归纳，从有机碳组分的角度着手，来阐明稻田土壤固碳的组分特征及其团聚体的物理保护机制，并结合长期定位试验和区域综合分析(Meta分析)，阐明有机质投入、持续淹水的时间、稻作模式和稻作年限对稻田土壤固碳的影响，进而明确保持稻田土壤固碳优势的技术途径。主要结果如下：
　　 ⑴对单季稻田转换为旱地(玉米田)19年后土壤有机碳及其组分的响应特征，以及不同有机碳组分的周转和更新速率的研究表明，长期种植旱地作物后，农田土壤有机碳和总氮含量显著下降。相同历史背景下，稻田土壤总有机碳和总氮的浓度分别比玉米田高76.7％和47.6％。稻田包裹态颗粒有机质(oPOM)和矿物结合有机质(MOM)在土壤中的浓度均是玉米田的2倍，但游离态颗粒有机质(fPOM)差异不显著。稻田土壤oPOM和MOM自身碳的浓度均显著高于玉米地，fPOM则相反。特别是oPOM组分，稻田是玉米地的近6倍。表明稻田团聚体保护碳的能力高于旱地。稻田转换为玉米地19年后，各组分δ13C值显著升高。fPOM、oPOM和MOM中来自玉米的新碳的比例分别达到了54.6％、24.7％和19.0％，平均驻留时间(MRT)依次增大，分别达到24、67和90年。
　　 ⑵典型旱作制农田(夏玉米-冬小麦)转变为水旱轮作(水稻-冬小麦)18年后，土壤有机碳含量显著增加，升高幅度达12.9％。种植方式转变显著影响了土壤团聚体的分布。与旱作农田相比，长期水旱轮作后土壤53-250μm级别微团聚体的比重显著下降，而<53μm粘粉粒的比例则显著上升。而对>2000μm和250-2000μm粒径大团聚体在土壤中的比例无显著影响。旱作制农田长期转变为水旱轮作显著提高了各级别土壤团聚体碳的浓度，但<53μm粘粉粒除外。与旱作制农田相比，长期转变为水旱轮作显著增加了粗颗粒有机质(cPOM)和fPOM碳的含量。而cPOM和fPOM组分属于未被保护的易分解土壤有机碳，更新速率较快。因此，虽然旱作制农田长期转变为水旱轮作后土壤总有机碳的含量显著增加，但并没有发现所固定的碳向稳定性碳库中显著转移。
　　 ⑶对两个开垦年代相似，近20多年分别一直种植双季稻和双季玉米的红壤长期定位试验地土壤有机碳及其组分特征的研究表明，水田土壤总有机碳和总氮的浓度分别是旱地的2.2倍和2.5倍。与试验前相比，水稻种植显著提高了土壤有机碳的含量，增幅达30.8％，而旱地的前后差异不显著。在所有团聚体粒径水平上，水田有机碳的浓度均显著高于旱地。其中53-250μm微团聚体相差最大，水田是旱地的近3倍。水田微团聚体保护碳(iPOM m)在土壤中的浓度是旱地的4.2倍，微团聚体保护碳在总有机碳中的比重也显著高于旱地，达到25.5％，是旱地的2倍。水田和旱地iPOM m组分碳的差异能够解释其总有机碳差异的42.8％。红壤稻田土壤有机碳向微团聚体内的聚集有利于增强土壤有机碳的稳定性和碳的长期保存。
　　 ⑷对长期进行不同施肥措施的双季稻田土壤有机碳分析发现，与试验开始时相比，长期双季水稻种植(27年)显著提高了稻田土壤有机碳的浓度。对照(Control)、氮肥(N)、氮磷钾配施(NPK)和氮磷钾与有机肥配施处理(NPK+FYM)土壤有机碳浓度分别比试验开始时增加了28.8％、30.1％、30.8％和61.6％。有机肥施用促进了土壤大团聚体(>2000μm和250-2000μm)的形成，但施用化肥(N和NPK)对土壤团聚体分布无显著影响。与Control相比，化肥施用对土壤总有机碳和所有有机碳组分的浓度均无显著影响。而施用有机肥显著提高了土壤总有机碳和各碳组分的浓度，但cPOM组分除外。土壤有机碳大部分分布在微团聚体外的粘粉粒(s+c_f)和iPOM m组分之中，其占总有机碳的比例分别达到46.4-49.6％和25.1-27.2％。而且，Control和NPK+FYM处理iPOM m和s+c_f组分碳的差异可以分别解释其总有机碳差异的53.2％和38.8％。因此，长期有机肥施用下红壤稻田土壤增加的有机碳主要储存于较为稳定的组分之中(即iPOM m和s+c_f)，这有利于碳的长期保存。
　　 ⑸运用meta分析方法，本文评价了不同稻作模式及其年限对我国稻田土壤有机碳储存的影响。结果表明，与试验初始值相比，双季水稻种植(DR)可以使土壤有机碳含量增加9％，即使在无任何肥料施用(Control)的情况下，但在单季稻(SR)和水旱轮作(RU)系统中无显著效应。在氮磷钾肥配施(NPK)条件下，此三种稻作系统土壤有机碳的含量均显著提高，而且，增幅顺序为DR>RU>SR。稻田土壤有机碳的含量随稻作年限的增加而增加。长期水稻种植超过20年以上可以使Control和NPK处理稻田土壤有机碳分别提高15％和23％。
　　 ⑹上述结果进一步证明了稻田土壤比相应的旱地土壤更具固碳优势，但在不同稻作系统中，土壤有机碳增加的幅度以及固碳的质量有所差异。虽然水稻种植均有利于土壤有机碳的积累，但与水旱轮作相比，长期持续性淹水(单季稻和双季稻系统)能显著提高土壤团聚体对有机碳的物理保护作用。有机肥施用不仅增加了稻田土壤有机碳的含量，而且显著提高了微团聚体对土壤有机碳的物理保护，有利于有机碳的长期储存。大尺度分析表明，与不施肥相比，氮磷钾平衡施肥能够提高稻田土壤有机碳含量。与单季稻和水旱轮作系统相比，双季稻种植更有利于土壤有机碳的积累。稻田土壤有机碳的含量随稻作年限的增加而增加。因此，更高的有机物投入，每年更长的持续淹水时间以及更长的水稻种植年限均有利于稻田土壤有机碳的保持和提高。