论文部分内容阅读
施肥是维持土壤生产力的重要措施,深刻影响土壤有机碳（SOC）分解和转化。探寻不同施肥措施影响SOC组分、固持和周转的过程与机制,对提高SOC含量、提升土壤生产力以及合理施肥具有重要作用。本研究基于2个长期定位试验（持续29年不同施肥模式和持续11年不同有机肥用量）,系统阐述化肥、秸秆还田、有机肥以及不同有机肥用量等的红壤SOC变化特征,SOC组分差异,SOC固持速率与效率及其温室气体（CO2、CH4和N2O）排放特征,计量和评估长期不同施肥措施对作物生产体系的全球净温室潜势（NGWP）及温室气体排放强度（GHGI）的影响。不同施肥红壤的SOC含量和储量(SOCstock)变化结果表明,长期不同施肥29年（1991-2019年）,耕层（0-20 cm）SOC含量年均增速分别为施用有机肥及化肥有机肥配合处理(1.5NPKM 0.34 g kg-1,M 0.28 g kg-1和NPKM 0.25 g kg-1),高于撂荒处理(CK0,0.22 g kg-1),高于长期施化肥以及化肥配合秸秆还田处理(NPK 0.13 g kg-1,NPKS 0.12g kg-1)。长期不同有机肥用量11年（2009-2019年）,耕层（0-20 cm）SOC含量年均增速分别为高量有机肥处理(NPKM3,0.28 g kg-1),高于中量有机肥处理(NPKM2,0.24 g kg-1),高于低量有机肥(NPKM1,0.20 g kg-1)和化肥处理(NPKM0,0.17 g kg-1)。红壤耕层（0-20 cm）SOCstock年均增速分别为施用有机肥处理及化肥有机肥配合处理(1.5NPKM 1.02 t hm-2,M 0.97 t hm-2和NPKM 0.81 t hm-2),高于撂荒处理(CK0,0.77t hm-2),高于长期施用化肥以及化肥配合秸秆还田处理(NPK 0.25 t hm-2,NPKS 0.29 t hm-2),高于长期不平衡施肥处理(NP 0.23 t hm-2,NK 0.12 t hm-2)。长期不同有机肥用量红壤SOCstock年均增速分别为NPKM3(0.83 t hm-2),NPKM2(0.71 t hm-2),NPKM1(0.50 t hm-2)和NPKM0(0.41 t hm-2)。有机肥料对增加SOC的效果好于化学肥料,且随着有机肥用量的增加,SOC提升速率增加。施用有机肥或化肥有机肥配施,是增加红壤SOC的重要措施。结构方程模型显示,长期试验结果证明了SOC水平决定作物高产稳产。SOC含量直接影响土壤碳、氮库和作物产量。SOC含量还通过土壤碳、氮库等因素间接影响作物产量。不同施肥对SOC组分影响研究表明,就SOC物理组分来说,施用有机肥及化肥有机肥配施红壤各级颗粒和团聚体SOC含量显著高于化肥秸秆还田,显著高于化肥处理。与试验初始时相比,长期施用有机肥17年后红壤颗粒中易分解碳组分中,砂粒有机碳（SC）、粗粉砂粒有机碳（CS）和细粘粒有机碳（FC）上升47.9～92.4%,团聚体（cf POC、ff POC和i POC）组分上升191.9～234.6%。化肥配合秸秆还田（NPKS）红壤颗粒中易分解碳组分上升29.4%,团聚体组分上升32.7%。施用化肥（NPK）红壤颗粒中易分解碳组分上升42.5%,团聚体组分上升42.9%。不施肥红壤颗粒中易分解碳组分下降21.1%,团聚体组分下降7.6%。长期施用有机肥对促进各级颗粒以及团聚体组分碳的累积效果显著高于化肥和秸秆还田处理。与其他处理相比,有机肥施用主要增加土壤团聚体SOCstock。对于土壤化学组分,长期施用有机肥及化肥有机肥配施（M、NPKM和1.5NPKM）红壤活性有机碳（LOC）含量年均增速0.17～0.21 g kg-1,高于化肥配合秸秆还田（NPKS）0.12 g kg-1,高于长期施用化学肥料（NPK）0.08 g kg-1和长期不施肥（CK）0.05 g kg-1。对于土壤微生物利用SOC,长期施用有机肥及化肥有机肥配施（M、NPKM、1.5NPKM）微生物量碳（MBC）含量显著高于化肥配合秸秆还田（NPKS）,显著高于施用化肥（N、NP、NK、PK、NPK）和长期不施肥（CK）。有机肥的施入提高了MBC的含量。长期不同施肥17年后,红壤潜在可矿化碳（PMC）分别为长期施用有机肥M(184.1 mg kg-1),显著高于化肥有机肥配施NPKM(88.7 mg kg-1),显著高于化肥配合秸秆还田NPKS(48.3 mg kg-1)和化肥NPK(42.4 mg kg-1),显著高于不施肥CK(34.6 mg kg-1)。不同施肥对SOC固持研究表明,红壤ΔSOCstock与年均碳投入量(Cinput)存在响应关系。红壤SOC转化效率平均在11.9～14.2%之间。长期施肥29年后,施用有机肥以及化肥有机肥配施（M、NPKM和1.5NPKM）土壤有机碳年均固定速率(SOCSR)分别为1.07 t hm-2 yr-1,0.64 t hm-2 yr-1,1.09 t hm-2 yr-1,显著高于化肥配合秸秆还田（NPKS）0.20 t hm-2 yr-1,高于长期平衡施肥（NPK）0.13 t hm-2 yr-1。长期不同有机肥用量施用11年后,SOCSR年均固定速率分别为NPKM3处理0.80 t hm-2 yr-1,显著高于NPKM2处理0.62 t hm-2 yr-1,NPKM1处理0.40 t hm-2 yr-1。长期施肥29年后,长期平衡施肥（NPK）土壤有机碳固定效率(SOCSE)20.3%,高于施用有机肥以及化肥有机肥配施（M、NPKM和1.5NPKM）13.1%、10.0%和11.5%,以及化肥配合秸秆还田（NPKS）11.0%。长期不同有机肥用量施用11年后,SOCSE分别为NPKM1处理21.1%,高于NPKM2处理16.7%,高于NPKM3处理14.7%。长期不同施肥红壤矿物结合土壤有机碳（m SOC）的平均固持速率最高0.22 t hm-2yr-1,其次分别为粗自由颗粒有机碳（cf POC）0.18 t hm-2 yr-1,物理保护有机碳（i POC）0.22 t hm-2 yr-1,和细自由颗粒有机碳（ff POC）0.03 t hm-2 yr-1。m SOC的固持效率（7.4%）显著高于cf POC（3.9%）、i POC（2.3%）和ff POC（0.6%）。不同施肥措施下各级颗粒有机碳平均固持速率从高到底分别为粗粘粒有机碳（CC,2-0.2μm）0.28 t hm-2 yr-1,高于SC（>53μm）0.20 t hm-2 yr-1,高于CS（53-5μm）0.14 t hm-2 yr-1,FS（5-2μm）0.14 t hm-2 yr-1和FC（<0.2μm）0.13 t hm-2 yr-1。固持效率分别为CC（4.9%）高于SC（3.3%）、CS（2.6%）和FS（2.2%）。重组有机碳（HF-OC）的平均固持速率最高0.76t hm-2 yr-1,其次分别游离态轻组（Fr LF-OC）0.11 t hm-2 yr-1和闭蓄态轻组（Oc LF-OC）0.03 t hm-2 yr-1。HF-OC的固持效率（7.6%）高于Fr LF-OC（1.32%）和Oc LF-OC（0.48%）。土壤活性有机碳（LOC）的平均固持速率0.13 t hm-2 yr-1,易氧化有机碳（PROC）的平均固持速率0.41 t hm-2 yr-1,MBC的平均固持速率0.06 t hm-2 yr-1。PROC的固持效率（8.82%）高于LOC（5.34%）和MBC（1.17%）。施用有机肥显著增加了土壤中受生物化学保护的稳定态组分的碳含量,更有利于对有机碳的固持。长期配施有机肥不仅是红壤有机质提升的重要措施,也是改善红壤结构的重要途径。施用有机肥还能调整红壤有机无机复合体比例,有利于疏松土壤的作用。长期施用有机肥及化肥有机肥配施（M和NPKM）土壤CO2、CH4和N2O排放通量均显著高于长期施用化肥NPK和长期施用化肥配合秸秆还田NPKS,后两者之间无显著差异。不施肥对照CK土壤CO2、CH4和N2O排放通量最低。不同施肥措施土壤CO2年累积排放量高低依次为M,3835.0 kg hm-2;NPKM,3075.1 kg hm-2;NPK,2920.1kg hm-2;NPKS,2188.0 kg hm-2;CK,1388.4 kg hm-2。不同施肥措施土壤CH4年累积排放量高低依次为NPKM,3497.9 g hm-2;M,3306.7 g hm-2;NPK,691.9 g hm-2;CK,446.8 g hm-2;NPKS,421.1 g hm-2。不同施肥措施土壤N2O年累积排放量高低依次为NPKM,13092.0 g hm-2;M,3306.7 g hm-2;NPK,901.4 g hm-2;NPKS,675.5 g hm-2;CK,337.4 g hm-2。土壤-植物界面SOC输入输出结果表明,施用有机肥处理（M,NPKM）,全年碳平衡均为正值,表现为显著的碳“汇”特征,全年累计固持C 0.06～2.40 t hm-2。施用化学肥料处理（NPK）,化肥配合秸秆还田（NPKS）和不施肥（CK）,表现为明显的碳“源”特征,全年累计输出C 1.08～3.48 t hm-2。农田净增温潜势NGWP高低顺序分别为NPK(2447.2 kg CO2-eq hm-2)>M(2442.8 kg CO2-eq hm-2)>NPKS(2142.6 kg CO2-eq hm-2)>NPKM(1471.0 kg CO2-eq hm-2)>CK(1268.0 kg CO2-eq hm-2)。温室气体强度GHGI高低顺序分别为CK(2.90 kg CO2-eq kg-1)>NPK(1.00 kg CO2-eq kg-1)>NPKS(0.96 kg CO2-eq kg-1)>M(0.34 kg CO2-eq kg-1)>NPKM(0.19 kg CO2-eq kg-1)。