养猪发酵床秸秆垫料有机肥施用对土壤有机碳固定的影响及机理研究

The pig-on-litter (POL) system is not only a key method to deal with the currently serious livestock and poultry waste problems, but is also a potential way for straw waste disposal and bedding organic fertilizer production. However, studies of the characteristics of the organic fertilizer coming from the POL systems are rare, and the information concerning the effects of its application on soil organic carbon (SOC) is scare, which is an important knowledge gap for the popularization of POL system and for the application of its bedding organic fertilizer. Based on the Animal Science and Crop Planting Experimental Site of Jiangsu Academy of Agriculture Sciences, the objectives of this study are 1) to determine the features of a straw bedding organic fertilizer from a POL system, including fertility properties, organic carbon components and its stability; 2) to investigate the subsequent changes of these organic carbon components as well as the responses of the original SOC following the fertilizer application, using the 13C technique; 3) to investigate the changes of soil microbial community and C utilization, and thereby to explore the effects of the bedding fertilizer application on SOC sequestration. The contribution of bedding organic fertilizer application to SOC sequestration and the corresponding mechanisms would be illustrated. The results would help provide theoretical basis and data support for the evaluation and popularization of the POL system as a method of straw waste disposal, bedding organic fertilizer production and SOC sequestration promotion.

发酵床养殖不仅是解决当前畜禽粪便处理难题的重要途径，同时也是秸秆废弃物的潜在有效处理方式和垫料有机肥的生产过程。但目前为止，国内外对该模式所产出的大量垫料有机肥的性质、其施入土壤后自身有机碳的转变规律及其对土壤有机碳的贡献仍不清晰。本项目拟以江苏省农业科学院六合动物科学和农产品种植定位实验基地为研究平台，运用δ13C技术和红外光谱及核磁共振等手段，研究秸秆垫料有机肥的肥力特征、有机碳组分及稳定性等特性，明确该有机肥施入土壤后自身有机碳的后续转化规律及其对土壤原有机碳的影响，并从其引起的微生物群落特征和碳源利用率变化的角度，分析该有机肥施用对土壤有机碳固定的影响，研究结果将阐明秸秆垫料有机肥对土壤有机碳固定的贡献及其机理，为评价和推广发酵床养殖模式作为秸秆处理和有机肥生产方式、促进土壤碳固定提供理论依据和数据支持。

寻求合理的秸秆还田方式不仅有助于消纳秸秆、改善土壤性质，同时还有助于增加土壤有机碳（Soil organic carbon, SOC）固定，降低土壤CO2释放，进而减缓温室效应。随着国际社会对农业土壤固定大气CO2的日益关注，不同秸秆还田方式对SOC固定的影响以及SOC的固定机制问题成为该领域的研究重点。本研究以江苏省农科院六合定位试验站稻麦轮作黄棕壤和秸秆发酵床垫料有机肥（SP）为对象，研究了SP肥力特征以及有机碳组分和结构稳定性等特征，并对比研究了不同秸秆还田方式（秸秆发酵床垫料有机肥SP、秸秆猪粪有机肥OF、秸秆生物炭BR、秸秆直接还田CF、不还田对照CK）下SOC的矿化特征、组分含量动态变化、结构稳定性、团聚体粒级分布及其结合碳含量以及土壤微生物特征等指标，以期寻求促进SOC 固定的最佳秸秆还田方式并解释其固碳机理，为农业土壤固碳机理研究提供参考。.不同秸秆还田方式均能增加SOC含量以及土层间土壤全碳的变异系数。在耕作表层，秸秆还田两个月时SP、OF、BR的SOC含量分别比CF高18.27%、4.32%、9.30%；秸秆还田一年还时分别比CF高18.82%、10.98%、11.76%。SP显著增加土壤水溶有机碳的含量和易氧化有机碳含量。相较于直接还田，OF、SP能提高SOC、水溶性物质和胡敏素碳含量，并在一定程度上增加PQ值和E4/E6值。两种秸秆有机肥施用明显提高了微生物碳代谢能力、微生物多样性各项指数及各类碳源利用率。不同秸秆还田方式下土壤CO2通量均受还田方式影响较大。各处理等氮量条件下，小麦与水稻季均为CF CO2通量最高。CO2通量与土壤温度呈幂函数关系，OF、SP、CF相关性达到了极显著水平(P < 0.01)。两种秸秆有机肥SP和OF的土壤温度均高于BR、CF和CK。两种秸秆有机肥处理的大团聚体含量明显高于其他三种处理，其中SP处理的>2 mm和2-1 mm大团聚体含量高于OF处理。几种秸秆还田处理中大团聚体结合碳含量显著提高，秸秆有机肥尤其是SP处理大团聚体碳含量显著高于其他秸秆还田方式，说明SP可有效促进微团聚体向大团聚体的转移，同时促进了SOC在大团聚体的积累，尤其在土壤表层更为明显。