利用碳氮稳定同位素分析土壤有机质对于农田管理措施的响应机制

Soil organic matter (SOM), as the critical important indicator of soil quality, functions on nutrient supplying, building of healthy structure and balancing global carbon. North China Plain has seen rapid increase of land productivity and consequently, significant increase of SOM due to adoption of farming technologies and input within the past 30 years. The research on SOM in the Area focused mainly on quantitative balance but factors, including land use, straw incorporation and fertilization application, leading to this balance were not well understood. We proposed to use novel method of natural isotope of 13C and 15N, for the understanding of following aspects of SOM by long-term trial and controlled field experiments, 1) turnover of new/old, and different fraction SOM influenced by farming managements, 2) fake and distribution of SOM within different fractions influenced by farming managements, and 3) responding of soil organic carbon and soil inorganic carbon to farming managements. We aimed to deepen the understanding of responding mechanisms of SOM change to farming managements and provide scientific support for SOM management in this region.

土壤有机质作为土壤质量的关键指标，对于养分提供、创造作物适宜的结构乃至影响全球碳平衡具有重要作用。以华北平原为代表的我国集约化农区，改革开放30年以来生产力得到稳步提高，土壤有机质呈明显增加趋势。然而针对该地区土壤有机质的研究大多集中在数量平衡层面，对于导致数量变化的内在机制，特别是重要农田管理措施如土地利用、秸秆还田以及肥料施用的影响等了解尚需深入。本项目利用碳、氮稳定同位素联合方法，以长期定位实验为对象，结合田间受控条件下碳氮分解和损失途径的测定，通过对不同土层、组分（轻重组和粒径）有机质中碳氮同位素随时间变化的定量规律，尝试阐明1）土壤新老和不同组分有机质的周转时间等参数，2）定量重要农田管理措施对于土壤有机质迁移转化的方向和比例，及3）分析土壤有机碳和无机碳对于农田管理的响应，从而获得获取华北平原土壤有机质对农田管理措施的响应机制，为该地区农田生态系统的土壤有机质管理提供科学支持。

土壤有机质作为土壤质量的关键指标，对于提供作物养分、创造良好的土壤环境以及影响全球碳平衡等方面具有重要作用。由于肥料、灌溉以及新品种的应用，对我国农田土壤有机质的变化产生了显著的影响。本项目拟以华北集约农田和内蒙古农田等北方地区典型农田生态系统为研究对象，研究不同的施肥措施、耕作方式和土地利用类型中，土壤有机质的分解转换、增加的特点和规律。主要研究结果如下：.1）与农民常规种植模式相比，优化种植模式可以在继续保证作物高产的条件下，有效的提高水分利用效率11%-57%，并显著降低N2O排放23%-41%。.2）相比于自然恢复地，所有农田的土壤有机碳均有所下降。秸秆还田能够显著增加土壤有机碳含量，而耕作措施有机碳没有显著影响。施用高量有机肥的土壤有机碳浓度显著高于自然恢复地，而施用化肥和不施肥则没有差异。.3）有机碳主要集中于粗砂粒组分，其中自然恢复地处理浓度最高。在细砂粒组分中，秸秆还田处理比其他处理有机碳水平显著增加。耕作措施没有对粉粒和粘粒组分有机碳浓度有显著影响。高量有机肥能够显著的提高所有粒径组分的有机碳浓度。耕作与秸秆还田措施后土壤中新输入的有机碳占总有机碳10%左右，但是耕作对于新碳的投入无显著影响。粘粒在土壤有机碳转化中处于较活跃水平。.4）除施化肥比有机无机配施处理增加0.4‰，其他施肥处理对于土壤有机碳δ13C值没有影响，而不同土地利用方式对土壤有机碳δ13C无显著影响。与空白处理相比，施肥，尤其是有机肥，能够增加土壤无机碳δ13C值。耕地土壤δ15N值显著高于退耕还灌/还草的三类土地。.5）经过长期的秸秆还田显著提高了山东桓台的作物产量，土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量分别增加了2.2倍、1.5倍和1.6倍，土壤有机质含量增加了41.8%。在作物生长季，小麦和玉米秸秆的N、P和K贡献率的分别达到了20.6%、16.6%和50.5%。.6）RothC-26.3模型和DNDC-9.5模型对不同的施氮水平处理和有秸秆还田的处理均能有效的模拟表层（0-20 cm）土壤有机碳含量的变化，但是在大量秸秆还田时， Roth C模型的DPM/RPM由1.44调整为1.9，DNDC调整界面土壤有机碳分解系数由2调整为5。