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土壤有机碳储量与外源碳输入量关系的建立与验证

蔡岸冬 徐明岗 张文菊 王伯仁 蔡泽江

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土壤有机碳储量与外源碳输入量关系的建立与验证

    作者简介: 蔡岸冬 E-mail:caiandong0906@163.com;
    通讯作者: 徐明岗, E-mail:xuminggang@caas.cn ; 张文菊, E-mail:zhangwenju01@caas.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41571298,41620104006)。

Establishment and verification of the relationship between soil organic carbon storage and exogenous carbon input

    Corresponding author: XU Ming-gang, E-mail:xuminggang@caas.cn ;ZHANG Wen-ju, E-mail:zhangwenju01@caas.cn ;
  • 摘要:   【目的】  土壤有机碳是土壤肥力的核心,外源碳的输入量是影响土壤有机碳的主要因素之一。建立外源碳输入量与土壤有机碳储量的内在联系,对深入了解土壤有机碳的形成和土壤肥力的定量提升具有重要意义。  【方法】  利用我国南方红壤典型农田长期 (25年) 和短期 (8年) 定位试验平台,选择25年长期施肥试验中CK (不施肥)、NP (氮磷化肥配施)、NPK (氮磷钾化肥配施)、NPKM1 (NPK与有机肥配施);1.5NPKM1 (1.5倍NPKM1) 和M2 (单施有机肥) 6个处理的数据,建立外源碳输入量与土壤有机碳储量的变化量及土壤有机碳储量的关系;选择8年短期施肥试验中T0 (氮磷钾配施)、T1 (NPK与15 t/hm2有机肥配施)、T2 (NPK与30 t/hm2有机肥配施) 和T3 (NPK与45 t/hm2有机肥配施) 4个处理的数据,对长期试验建立的关系进行验证。  【结果】  与CK相比,长期施用化肥 (NP和NPK) 处理下年均根茬碳输入量显著增加了0.45~0.75 t/hm2;长期单施有机肥 (M2) 及有机肥配施化肥 (NPKM1和1.5NPKM1) 处理下年均根茬碳输入量为1.59~9.36 t/hm2,显著高于CK、NP和NPK处理 (P < 0.05);而短期化肥 (T0) 和有机肥配施化肥 (T1、T2和T3) 处理间年均根茬碳输入量没有显著差异。长期NP、NPK、NPKM1、1.5NPKM1和M2处理下,土壤有机碳储量均能达到稳定值 (即有机碳储量不再随试验年限的增加而变化),分别为24.01、25.16、48.44、48.46和49.83 t/hm2。长期不同施肥处理下土壤有机碳储量的矿化量平均为4.69 t/hm2,维持初始土壤有机碳储量需要累积外源碳输入的量为8.52 t/hm2;通过长期土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时存在17%的误差,并低估了土壤有机碳储量的增加量;在考虑初始土壤有机碳储量存在差异的情况下,通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时仅存在3%的误差;根据土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,维持初始有机碳储量 (SOCa) 所需外源碳的量为54.35 × [34.62/(48.71 − SOCa) − 1],提升土壤有机碳储量到SOCb时所需外源碳的量为1881.60 × (SOCb − SOCa) / [(48.71 − SOCb) × (48.71 − SOCa)]。  【结论】  根据初始土壤肥力状况,通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,可以准确量化土壤有机碳提升所需外源碳输入量。
  • 图 1  25年和8年试验不同处理年均根茬和有机肥碳输入量

    Figure 1.  Averaged annual carbon input from crop residues and manure under different fertilization treatmentsin 25-year and 8-year experiments

    图 2  长期不同施肥处理土壤有机碳储量的变化

    Figure 2.  Dynamics of soil organic carbon storage under long-term different fertilization treatments

    图 3  土壤有机碳储量及其变化量与累积外源碳输入量的关系 (a) 及验证 (b)

    Figure 3.  Establishment (a) and verification (b) of the relationship between storage of soil organic carbon and its change and accumulated carbon input

    表 1  土壤基本理化性质

    Table 1.  Basic physiochemical properties of soil

    试验年限
    Experiment years
    有机碳储量
    SOC storage
    (t/hm2)
    全氮
    Total N
    (g/kg)
    全磷
    Total P
    (g/kg)
    全钾
    Total K
    (g/kg)
    有效氮
    Available N
    (mg/kg)
    有效磷
    Available P
    (mg/kg)
    速效钾
    Readily available K
    (mg/kg)
    容重
    Bulk density
    (g/cm3)
    25 18.781.070.4513.779141041.19
    816.900.9661111861.18
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    表 2  各处理无机肥和有机肥的年均施用量 [kg/(hm2·a)]

    Table 2.  Annual inputs of inorganic N, P and K fertilizers and pig manure in each treatment

    试验年限
    Experimental years
    处理
    Treatment
    化肥Chemical fertilizer有机肥
    Manure
    总养分Total nutrient
    NPKNPK
    25CK000000
    NP300530300530
    NPK3005310030053100
    NPKM1905310041700300187230
    1.5NPKM11357915062550449281346
    M200060000300193187
    8T022532.762.2022532.762.2
    T118032.762.21500022568.784.7
    T213532.762.230000225104.7107.2
    T39032.762.245000225140.7129.7
    注(Note):T0―NPK; T1―NPK+15 t/hm2 有机肥 Pig manure; T2―NPK+30 t/hm2 有机肥 Pig manure; T3―NPK+45 t/hm2 有机肥 Pig manure.
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-19
  • 网络出版日期:  2020-06-23
  • 刊出日期:  2020-05-01

土壤有机碳储量与外源碳输入量关系的建立与验证

    作者简介:蔡岸冬 E-mail:caiandong0906@163.com
    通讯作者: 徐明岗, xuminggang@caas.cn
    通讯作者: 张文菊, zhangwenju01@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部农业环境重点实验室,北京 100081
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41571298,41620104006)。
  • 摘要:   【目的】  土壤有机碳是土壤肥力的核心,外源碳的输入量是影响土壤有机碳的主要因素之一。建立外源碳输入量与土壤有机碳储量的内在联系,对深入了解土壤有机碳的形成和土壤肥力的定量提升具有重要意义。  【方法】  利用我国南方红壤典型农田长期 (25年) 和短期 (8年) 定位试验平台,选择25年长期施肥试验中CK (不施肥)、NP (氮磷化肥配施)、NPK (氮磷钾化肥配施)、NPKM1 (NPK与有机肥配施);1.5NPKM1 (1.5倍NPKM1) 和M2 (单施有机肥) 6个处理的数据,建立外源碳输入量与土壤有机碳储量的变化量及土壤有机碳储量的关系;选择8年短期施肥试验中T0 (氮磷钾配施)、T1 (NPK与15 t/hm2有机肥配施)、T2 (NPK与30 t/hm2有机肥配施) 和T3 (NPK与45 t/hm2有机肥配施) 4个处理的数据,对长期试验建立的关系进行验证。  【结果】  与CK相比,长期施用化肥 (NP和NPK) 处理下年均根茬碳输入量显著增加了0.45~0.75 t/hm2;长期单施有机肥 (M2) 及有机肥配施化肥 (NPKM1和1.5NPKM1) 处理下年均根茬碳输入量为1.59~9.36 t/hm2,显著高于CK、NP和NPK处理 (P < 0.05);而短期化肥 (T0) 和有机肥配施化肥 (T1、T2和T3) 处理间年均根茬碳输入量没有显著差异。长期NP、NPK、NPKM1、1.5NPKM1和M2处理下,土壤有机碳储量均能达到稳定值 (即有机碳储量不再随试验年限的增加而变化),分别为24.01、25.16、48.44、48.46和49.83 t/hm2。长期不同施肥处理下土壤有机碳储量的矿化量平均为4.69 t/hm2,维持初始土壤有机碳储量需要累积外源碳输入的量为8.52 t/hm2;通过长期土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时存在17%的误差,并低估了土壤有机碳储量的增加量;在考虑初始土壤有机碳储量存在差异的情况下,通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时仅存在3%的误差;根据土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,维持初始有机碳储量 (SOCa) 所需外源碳的量为54.35 × [34.62/(48.71 − SOCa) − 1],提升土壤有机碳储量到SOCb时所需外源碳的量为1881.60 × (SOCb − SOCa) / [(48.71 − SOCb) × (48.71 − SOCa)]。  【结论】  根据初始土壤肥力状况,通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,可以准确量化土壤有机碳提升所需外源碳输入量。

    English Abstract

    • 土壤有机碳储量是大气或陆地植被中碳储量的三倍以上,其微小的变化会对全球气候、土壤肥力和粮食安全等产生深远影响[1-2],而外源碳输入量和土壤有机碳分解量是决定土壤有机碳变化量的主要因素之一[3]。对于农田生态系统而言,人为添加的外源碳 (根茬和有机肥) 是快速提升土壤有机碳储量的主要途径,因此,建立并验证土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系对于定量提升土壤有机碳和土壤肥力均具有重要意义。相对于自然生态系统,由于人为长期对农田土壤不合理的利用,导致大量农田土壤有机碳储量已面临枯竭[4],一般而言,土壤有机碳储量随着外源碳输入量的增加而增加。然而,不同的研究结果表明,土壤有机碳储量与外源碳输入量不成线性关系。目前多数农田土壤有机碳模型采用一阶动力学方程模拟土壤有机碳的形成及分解过程,因此,模型假设外源碳输入量与土壤有机碳储量存在直线关系[5],即土壤有机碳储量随着外源碳的输入量的增加而不断增加,并没有出现稳定状态,这种关系得到一些农田长期施肥试验结果的支持[6-7]。但是,随着施肥年限的延长,长期定量有机肥施用土壤有机碳储量不再随累积外源碳输入量的增加而增加,即土壤有机碳储量出现稳定状态,而当外源碳输入速率发生改变时土壤有机碳储量的平衡状态也会随之发生改变,直到新稳定状态的出现[5]。针对外源碳输入量与土壤有机碳储量的这种非线性关系,通常有两种描述方式:其一,年均土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入速率的关系,通过这种关系能获得土壤有机碳储量的矿化量和维持初始有机碳储量所需外源碳输入量[8];其二,土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,通过这种关系能获得土壤有机碳储量的稳定值[9]。综上所述,关于外源碳输入量与土壤有机碳储量的关系已有大量报道,但不同研究者采用不同的方式对其关系进行描述,例如,采用土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入速率的关系,其结果仅为该试验研究条件下得出,忽略了不同试验条件下初始土壤有机碳储量存在的差异性,而初始土壤有机碳储量又是决定土壤固碳能力的主要因素之一,从而导致用这种关系模拟不同初始有机碳储量条件下外源碳输入量获得的土壤有机碳变化量并不准确。为了准确量化不同初始有机碳储量条件下土壤有机碳的变化量,本研究在不同初始有机碳水平下,建立并验证外源碳输入量与土壤有机碳储量的关系。

      本研究以长期 (25年) 和短期 (8年) 不同施肥试验平台为依托,建立长期不同施肥处理下累积外源碳输入量与土壤有机碳储量的关系,利用短期不同施肥数据对该关系进行验证,为深入了解土壤有机碳形成、定量培育和提升土壤肥力提供理论依据。

      • 本研究依托国家祁阳农田生态站,该站建于1960年,位于我国湖南省祁阳县 (111°52′ E、26°45′ N);属于亚热带气候区,年均降水量为1255~1408 mm,年均温为17℃~18℃ (> 10℃积温为4900~5600℃),年均蒸发量为1400~1500 mm。土壤类型为铁铝始成土 (FAO) 和粘土含量较高的红壤。在该试验站开展了长期和短期两个系列施肥试验 (试验1起始于1990年,试验年限为25年;试验2起始于2009年,试验年限为8年)。试验1中每个小区面积为196 m2,重复两次,种植制度为小麦–玉米轮作 (一年两熟) ;试验 2 中每个小区面积为169 m2,重复3次,仅种植玉米(一年一熟)。两个试验点的初始表层土壤 (0―20 cm) 基本理化性质见表1

        表 1  土壤基本理化性质

        Table 1.  Basic physiochemical properties of soil

        试验年限
        Experiment years
        有机碳储量
        SOC storage
        (t/hm2)
        全氮
        Total N
        (g/kg)
        全磷
        Total P
        (g/kg)
        全钾
        Total K
        (g/kg)
        有效氮
        Available N
        (mg/kg)
        有效磷
        Available P
        (mg/kg)
        速效钾
        Readily available K
        (mg/kg)
        容重
        Bulk density
        (g/cm3)
        25 18.781.070.4513.779141041.19
        816.900.9661111861.18

        试验1,选择了6个处理:CK (不施肥)、NP (氮磷配施)、NPK (氮磷钾配施)、NPKM1 (NPK与有机肥配施)、1.5NPKM1 (1.5倍的NPKM1)、M2 (单施有机肥)。无机氮、磷和钾肥分别来源于尿素、过磷酸钙和氯化钾;除1.5NPKM1处理外,所有小区施氮量均相同,均为300 kg/(hm2·a);有机肥为鲜猪粪,其含水量 (鲜基) 约为75%,碳和氮 (干基) 含量分别为 413和20.1 g/kg;试验期间,玉米季肥料施用量占全年施肥量的70%,小麦季占30%,所有肥料在小麦和玉米播种前作为基肥一次施用。对于试验2,选择了4个处理:T0 (氮磷钾配施)、T1 (NPK与15 t/hm2有机肥配施)、T2 (NPK与30 t/hm2有机肥配施)、T3 (NPK与45 t/hm2有机肥配施)。所有小区施氮量均相同,为225 kg/(hm2·a),其中无机氮来源于尿素,有机氮来源于猪粪;新鲜猪粪含水量约为70%,干基中碳和氮含量分别为413.2和3.0 g/kg;其中,30%的无机肥作基肥,70%的无机肥作追肥。详细施肥量见表2

        表 2  各处理无机肥和有机肥的年均施用量 [kg/(hm2·a)]

        Table 2.  Annual inputs of inorganic N, P and K fertilizers and pig manure in each treatment

        试验年限
        Experimental years
        处理
        Treatment
        化肥Chemical fertilizer有机肥
        Manure
        总养分Total nutrient
        NPKNPK
        25CK000000
        NP300530300530
        NPK3005310030053100
        NPKM1905310041700300187230
        1.5NPKM11357915062550449281346
        M200060000300193187
        8T022532.762.2022532.762.2
        T118032.762.21500022568.784.7
        T213532.762.230000225104.7107.2
        T39032.762.245000225140.7129.7
        注(Note):T0―NPK; T1―NPK+15 t/hm2 有机肥 Pig manure; T2―NPK+30 t/hm2 有机肥 Pig manure; T3―NPK+45 t/hm2 有机肥 Pig manure.
      • 对于农田土壤而言,外源碳的主要来源包括植物根系、残茬和有机肥。根据秸秆生物量、籽粒产量以及秸秆和籽粒中的碳含量,利用公式1可获得作物秸秆和籽粒中碳含量 (Cbiomass)[10]

        $ {{\rm{C}}_{{\rm{biomass}}}} = {\rm{ }}{{\rm{Y}}_{{\rm{grain}}}} \times {\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{grain}}}} + {\rm{ }}{{\rm{Y}}_{{\rm{straw}}}} \times {\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{straw}}}} $

        式中,Ygrain和Ystraw分别代表作物籽粒产量 (t/hm2) 和秸秆产量 (t/hm2);Cgrain和Cstraw分别代表作物籽粒中碳含量 (g/kg) 和秸秆中碳含量 (g/kg)。

        根据根系碳 (Croot,t/hm2)、残茬碳 (Cstubble,t/hm2) 和有机肥碳 (Cmanure,t/hm2) 的输入量,利用下列公式估算外源碳输入量 (Cinput,t/hm2)[10]

        $ {{\rm{C}}_{{\rm{input}}}} = {\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{root}}}} + {\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{stubble}}}} + {\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{manure}}}} $

        $ {{\rm{C}}_{{\rm{root}}}} = {\rm{ }}{{\rm{R}}_{{\rm{bg}}}} \times {\rm{ }}{{\rm{C}}_{\rm {biomass}}}\hspace{35pt} $

        $ {{\rm{C}}_{{\rm{stubble}}}} = {\rm{ }}{{\rm{R}}_{{\rm{stubble}}}} \times {\rm{ }}{{\rm{C}}_{{\rm{biomass}}}}\hspace{20pt} $

        式中,Rbg代表地下部分生物量中的碳与地上部分生物量中的碳的比值;Rstubble代表作物残茬的碳与地上生物量中的碳的比值。

        土壤有机碳储量可以根据土壤有机碳含量和土壤容重获得[11]

        $ {\rm{SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage}}}}{\rm{ = SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{content}}}}{\rm{ \times BD \times H \times 10}} $

        式中,SOCstorage和SOCcontent代表土壤有机碳储量 (t/hm2) 和土壤有机碳含量 (g/kg);BD代表土壤容重 (g/cm3);H代表土层深度 (20 cm);10为单位换算系数。

        本研究采用直线和曲线这两种方式来拟合土壤有机碳储量 (SOCstorage) 的动态变化及土壤有机碳储量的变化量和土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系[10]

        $ {\rm{SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage}}}}{\rm{ = aT + b}}\hspace{65pt} $

        $ {\rm{\Delta SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage}}}}{\rm{ = SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage - t}}}}{\rm{ - SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage - c}}}} $

        $ {\rm{\Delta SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage}}}}{\rm{ = aT/}}\left( {{\rm{b + T}}} \right){\rm{ + c}}\hspace{30pt} $

        $ {\rm{SO}}{{\rm{C}}_{{\rm{storage}}}}{\rm{ = aT/}}\left( {{\rm{b + T}}} \right){\rm{ + c}}\hspace{35pt} $

        式中,SOCstorage-t和SOCstorage-c分别代表试验1不同处理下2015年有机碳储量和1990年有机碳储量;T代表试验年限;a、b和c代表方程的回归系数。

      • 试验结果采用Excel和SPSS软件进行统计与分析,图及图中所拟合的方程均在Sigmaplot 10.0软件中完成。不同施肥处理下外源碳输入量采用邓肯法进行差异性检验 (P < 0.05)。对于试验1而言,首先,根据公式 (8) 和 (9) ,分别拟合土壤有机碳储量的变化量和土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系;其次,根据试验2中外源碳输入量和公式 (8),获得预测的土壤有机碳储量的变化量,且根据公式 (9)、试验2中初始土壤有机碳储量和维持初始土壤有机碳储量所需要的外源碳的量 (4.08 t/hm2),获得预测的土壤有机碳储量;最后,验证土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系。

      • 图1(a)显示,试验1 NP和NPK处理下年均根茬碳输入量分别为0.75和1.05 t/hm2,显著高于CK处理下年均根茬碳输入量 (0.30 t/hm2);NPKM1、1.5NPKM1和M2处理下年均根茬碳输入量 (1.59~9.36 t/hm2) 显著高于CK、NP和NPK处理;1.5NPKM1处理下年均总碳输入量最高,为9.36 t/hm2图1(b)显示,试验2不同处理间年均根茬碳输入量没有显著性差异,平均为1.15 t/hm2;T3处理下年均总碳输入量显著高于T0、T1和T2处理,为7.10 t/hm2

        图  1  25年和8年试验不同处理年均根茬和有机肥碳输入量

        Figure 1.  Averaged annual carbon input from crop residues and manure under different fertilization treatmentsin 25-year and 8-year experiments

      • 土壤有机碳储量随试验年限增加呈现不同的变化趋势 (图2)。除CK外,其它施肥处理下土壤有机碳储量随试验年限的增加呈现先快速增加后缓慢增加的趋势;NP、NPK、NPKM1、1.5NPKM1和M2处理下有机碳储量达到稳定状态时土壤有机碳储量分别为24.01、25.16、48.44、48.46和49.83 t/hm2

        图  2  长期不同施肥处理土壤有机碳储量的变化

        Figure 2.  Dynamics of soil organic carbon storage under long-term different fertilization treatments

      • 图3(a1)显示,随着外源碳输入量的增加,土壤有机碳储量呈现先快速提高后缓慢增加的趋势 (P < 0.01),继续增加外源碳,土壤有机碳储量会达稳定状态,其中,施用化肥和有机肥的土壤有机碳储量的稳定值平均为24.56和49.14 t/hm2。将有机碳储量 (y) 与外源碳输入量 (x) 进行回归,达到稳定状态时土壤有机碳储量为48.71 t/hm2,根据图3(a1)的公式及实测短期试验土壤有机碳储量,短期试验土壤有机碳储量的实测值与模拟值之间的斜率为1.03[图3(b1)],即预测误差为3%。将有机碳储量的变化量 (y) 与外源碳输入量 (x) 进行回归 [图3(a2)],得到关系式y = 34.62x/(54.35 + x) − 4.69,当外源碳输入量为零时 (x = 0),土壤有机碳储量的矿化量 (y) 为4.69 t/hm2;当土壤有机碳储量不发生变化时 (y = 0),维持初始有机碳储量需输入外源碳的量为8.52 t/hm2,根据图3(a2)中的公式实测短期试验土壤有机碳储量,短期试验土壤有机碳储量的实测值与模拟值之间的斜率为1.17[图3(b2)],即预测误差为17%。因此,有机碳储量与外源碳输入量的关系式为y = 34.62x/(54.35 + x) + 14.09,依据该关系式,维持初始有机碳储量 (SOCa) 所需外源碳的量为54.35 × [34.62/(48.71–SOCa)–1],提升土壤有机碳储量到SOCb时所需外源碳的量为1881.60 × (SOCb–SOCa)/[(48.71–SOCb) × (48.71–SOCa)]。

        图  3  土壤有机碳储量及其变化量与累积外源碳输入量的关系 (a) 及验证 (b)

        Figure 3.  Establishment (a) and verification (b) of the relationship between storage of soil organic carbon and its change and accumulated carbon input

      • 土壤有机质的定量提升对全球气候变化、土壤肥力、粮食安全等均能产生深远影响[1-2],而土壤有机碳作为土壤有机质的重要组成部分,其动态变化主要取决于外源碳输入量及本身有机碳的分解量[3]。与不施肥相比,长期不同施肥均能显著提高年均根茬碳的输入量 [图1(a)],其原因可能是施肥不仅能直接为土壤及作物带来多种营养物质,而且还可以间接地通过改善土壤物理和化学性状,增加土壤微生物的数量及活性,进一步促进作物根系的生长,从而增加根茬碳的输入量[12]。相对于单施化肥,长期单施有机肥或有机肥与化肥配施均能显著提高年均根茬碳的输入量,其结果与Zhang等[8]基于我国不同区域下多个长期施肥试验站研究的结果相似。但是,短期不同施肥处理间年均根茬碳输入量并不存在显著差异 [图1(b)],其原因可能是短期施用化肥和有机肥虽然能提供作物生长所需的养分和改善土壤物理和化学属性,但是并没有显著改变作物籽粒和秸秆的产量,而作物籽粒和秸秆的产量决定地下部分碳的含量;另外,施用有机肥对土壤有机碳的积累具有后效作用,并能持续的增加土壤肥力[13-14],进而有利于增加作物籽粒和秸秆的产量,长期施用有机肥有利于作物根茬碳的输入量。

        根据Stewart等[5]提出的土壤有机碳饱和理论:随着外源碳输入量的增加,前期土壤有机碳呈现快速增加趋势,后期在外界条件不变的情况下土壤有机碳会达到平衡状态。本研究进一步证明了这个理论 (图2),而且化肥 (NP和NPK) 和有机肥配施化肥 (NPKM1和1.5NPKM1) 处理下土壤有机碳储量达到稳定时的最大值并不一致,其原因可能是长期有机肥配施化肥为土壤带来了大量的外源碳的输入量,而外源碳输入量又是决定土壤有机碳储量的主要因素之一[3];与单施化肥相比,有机肥配施化肥能显著增加土壤微生物种群、数量及活性[14],而土壤微生物是土壤有机碳形成与分解的主要参与者,因此,有机肥配施化肥处理下土壤有机碳储量的稳定值高于单施化肥处理。

        大量的长期施肥试验主要从两方面建立土壤有机碳储量与外源碳输入量的内在关系,一是土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入量的关系[8],二是土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系[15]。但是,这些关系式并没有得到其它施肥试验的验证[1,13],依据这种关系来定量提升土壤肥力存在不确定性。在本研究中,通过土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时存在17%的误差,其原因是没有考虑土壤有机碳储量的起始值,而在不同起始有机碳储量下土壤对外源碳利用率存在明显的差异[16]。由表1可知,长期试验 (25年) 土壤起始有机碳储量为18.78 t/hm2,而短期试验 (8年) 的为16.90 t/hm2,因此,在不考虑初始土壤有机碳储量时,用短期施肥试验的数据来验证土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入量的关系时,存在17%的误差,并低估了土壤有机碳储量 [图3(b2)]。通过增加初始值土壤有机碳储量来校正土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,预测的土壤有机碳储量与实际测定值之间的误差缩小到了3% [图3(a2)],达到了定量提升土壤有机碳及土壤肥力要求的可靠性。除去试验年限和土壤基础碳储量不同外,长期施肥试验种植制度是小麦–玉米轮作,短期试验是单季玉米。小麦根茬碳的残留率高于玉米[17]是造成短期试验预测的有机碳储量高于实测有机碳储量3%的主要原因之一 [图3(b1)]。根据土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,在供试红壤区,维持初始有机碳储量 (SOCa) 所需外源碳的量为54.35 × [34.62 / (48.71 − SOCa) − 1],提升土壤有机碳储量到SOCb时所需外源碳的量为1881.60 × (SOCb − SOCa) / [(48.71 − SOCb) × (48.71 − SOCa)]。对于本研究得出的提升土壤有机碳储量到SOCb时所需外源碳的量为累积外源碳的量,由于年均外源碳输入速率是影响土壤有机碳提升的因素之一,因此,需要进一步探讨外源碳输入速率如何影响土壤对外源碳的固定。

        虽然本研究基于我国南方红壤施肥试验建立了土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系,但该结果还存在一定的不确定性。其一,土壤质地是决定土壤对外源碳的利用率的主要因素之一[8],由于供试土壤均为粘粒含量较高的红壤,因此,本研究结果是否适用于粘粒含量较低的土壤还有待进一步证明;其二,在建立土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系时,为了使外源碳输入量存在一定的梯度,本研究包含了不施肥和单施化肥处理 (年均根茬碳输入量为0.30~1.05 t/hm2),其根茬碳输入量均是通过相应公式估算出来的。在研究区域类似的土壤或气候条件下,本研究的土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系可以进一步推广,但是由于我国存在不同的土壤或者气候类型,因此,本研究的土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系是否可以进一步推广到全国范围内还需要进一步验证与探讨。

      • 1) 长期施用有机肥能显著促进根茬碳输入量,提高有机碳的总储量水平。

        2) 长期施用有机肥和化肥条件下,土壤有机碳储量的变化量及土壤有机碳储量均呈现明显的先快速后缓慢增加的趋势,随后逐渐达到平衡。供试红壤上施用化肥和有机肥的土壤有机碳储量的稳定值平均为24.56和49.14 t/hm2

        3) 用初始土壤有机碳储量来校正外源碳输入量和土壤有机碳储量的关系,可以将通过外源碳输入量预测的土壤有机碳储量的误差降为3%,定量预测土壤有机质提升所需的外源碳输入量,从而有效提升土壤肥力。

    参考文献 (17)

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