石灰性土壤无机碳库对大量氮素输入的响应及意义

Carbon dioxide (CO2) emission from soil is also attributed to the activities of mineralization of soil organic carbon and root respiration. However, emission of CO2 from calcareous soil may also originate from the soil inorganic carbon (SIC). If this process is ignored, it could lead to an overestimation of organic C mineralization and root respiration in the calcareous soils. The application of N fertilizer in China’s agriculture has increased rapidly in recent decades. It means that high amounts of proton is produced from nitrification of ammonium; it could acidify soil, and increase loss risk by CO2 emission and leaching of SIC. There are few researches to study the effects of high input of N fertilizer on CO2 emission and SIC stabilization in calcareous soil. Therefore, we’ll use short-term incubation method and long-term field experiment to study the effects of different N fertilizer rates on SIC stocks and CO2 emission from calcareous soil. And carbon isotope method (δ13C and 14C methods) would be used to differentiate CO2 from biotic and abiotic processes. The calcareous soil is one of main agricultural soils in north China. Therefore, this study is very important for evaluating the effect of high input of N fertilizer on CO2 emission and SIC stabilization in calcareous soil. It also would increase our understanding about the effect of high N fertilizer rate on global carbon cycle.

一般将土壤释放的二氧化碳(CO2)归为土壤有机碳的矿化及根系的呼吸作用。而对富含碳酸盐的石灰性土壤，土壤中的无机碳也可能释放CO2，若忽视这一释放机理可能会过高估计土壤异养微生物及根系的生物效应。同时，近年来我国农业生态系统氮素输入量显著增加，进入土壤的铵态氮发生硝化作用产生质子，可能会影响石灰性土壤无机碳库的稳定性及CO2的释放，但这种影响程度如何？意义怎样？尚缺乏研究。为此，本研究拟采取模拟试验与田间试验相结合的方法，评价施用氮肥对石灰性土壤无机碳贮量、释放及淋溶的影响；采取常规测定与碳同位素法（δ13C与14C）等相结合的方法，解析石灰性土壤释放CO2来自无机碳的数量及比例，以揭示石灰性土壤无机碳库对大量氮素投入的响应及相应机理。研究结果对于评价大量施用氮肥对土壤与大气间CO2交换的影响具有重要的理论意义，由于石灰性土壤是我国北方地区的主要农业土壤，因此，本研究也具有重要的实践意义。

石灰性土壤碳库包括有机碳库及无机碳库，对有机碳库的作用及意义已有大量研究，而对土壤无机碳研究相对较少。近年来我国农田土壤氮肥用量显著增加，施用铵态氮的硝化作用产生质子，是否会影响石灰性土壤无机碳库的稳定性、导致CO2的释放，程度如何？意义怎样？尚缺乏研究。为此，本项目采取不同方法解析了石灰性土壤培养期间释放CO2来自无机碳的数量及比例，采取模拟试验与田间试验相结合的方法评价了施用氮肥对石灰性土壤无机碳损失及CO2的影响，估算了我国1980年以来施用氮肥及氮沉降引起的农田土壤酸化而导致的土壤无机碳存量损失数量等。获得的主要结论包括：.（1）间接法与直接法（δ13C同位素法）研究均表明，石灰性土壤培养过程中释放的CO2有约20%-55%来自于无机碳，若忽视无机碳的释放会高估土壤异养微生物及根系的生物效应；施用氮肥增加了来自无机碳释放的CO2比例，而配施硝化抑制剂明显降低了来自无机碳的比例，证明铵态氮的硝化作用产生的质子促进了无机碳的溶解与释放。（2）土柱模拟条件下长期连续施用不同种类氮肥，硫酸铵、硝酸铵和尿素降低了土壤及淋溶液pH、土壤碳酸钙含量；而硝酸钾处理对土壤及淋溶液pH、土壤碳酸钙含量无显著影响，说明长期连续施用铵态氮肥硝化作用产生的质子导致石灰性土壤pH降低，碳酸钙发生溶解损失。（3）采用大数据方法研究发现，1980年以来我国农田40 cm土层无机碳贮量损失了约7%，约700万公顷农田无机碳消耗殆尽，这是我国一些地方土壤酸化问题加剧的主要因素之一；若不采取有效措施，到2100年我国农田会损失约37％的无机碳。.项目研究成果为全面评价我国施用氮肥对土壤固碳、温室效应气体减排及土壤肥力变化等提供了科学依据，具有重要的理论及实践意义。发表论文21篇，其中第一标注12篇，SCI收录15篇（其中第一标注7篇）；培养博士后2名，博士生3名，硕士生6名，完成项目研究目标。