我国典型旱地农田土壤固碳效率的时空差异特征及驱动机制

Carbon sequestration efficiency (CSE) of agricultural soil, i.e. rate of soil organic carbon (SOC) accumulation per unit of organic carbon input, is a key parameter of soil carbon sequestration and can be directly compared among different conditions. CSE is strongly associated with soil fertility improvement and SOC sequestration potential in agro-ecosystems, thus has been a focus in current soil science field. However, it remains unclear how CSE varies with time and space in typical upland agricultural soils in China, and what are the underlying driving mechanisms. Therefore, this project aims to implement SOC balance analysis to explore spatiotemporal variations in CSE (10-30 yr period) among four typical upland regions of China, based on selected representative 10 long-term soil fertilizer experiments and relevant data along the precipitation and temperature gradients. Based on collection of climate data (temperature and precipitation) and organic carbon input, we quantify contributions of main and interactive effects of climate, organic carbon input and edaphical factors in regulating CSE at different regions and temporal scales by employing canonical correspondence analysis (CCA)-based variation partitioning analysis (VPA). Research results are of significance for better understanding SOC sequestration potential in agroecosystem, and will also, in practice, provide scientific basis for efficiently increasing SOC content in typical regions of China.

土壤固碳效率即单位有机碳投入形成土壤有机碳的比率，是土壤固碳特征的重要参数。其与土壤肥力提升和固碳潜力密切相关，而成为现代土壤学关注的热点。本项目针对我国典型区域旱地农田土壤固碳效率的时空差异及机制尚不十分明确的科学问题，选择分布于我国不同气候区域，具有较大水热梯度、代表性较好的土壤肥料长期试验点10个，以这些长期试验及其数据资料为基础，通过土壤碳平衡分析的方法，系统研究不同区域典型旱地土壤固碳效率的时间变化（10-30年尺度）和空间差异特征；运用典范对应分析（CCA）-方差分解分析（VPA）等方法，定量解析水热条件、有机物投入量和土壤性状等关键因素及其交互作用对土壤固碳效率的影响及贡献率，阐明固碳效率在不同时间尺度和不同区域的差异机制和主要驱动因子。研究结果将深化认识农田系统固碳潜力及其机制，为我国典型区域旱地土壤有机碳的高效提升技术提供科学依据。

土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）是土壤肥力核心，且与全球碳循环密切相关。SOC的变化不仅受到碳投入量多少的影响，还受输入碳的转化率的影响，后者被称为固碳效率（carbon sequestration efficiency, CSE）。CSE表示单位外源有机碳转化为土壤有机碳百分比。本研究针对长期施肥条件下我国典型农田土壤表层及深层固碳效率时空差异特征及驱动因素不明确，以及不同碳组分对SOC的相对贡献率不明确的问题，选取了我国8个长期定位试验点的三个处理：不施肥（CK），施用化学氮磷钾肥（NPK）及化肥配施有机肥（NPKM），收集其从试验起始年份至2009/2010年的土壤性质，气候因子及作物产量等数据，通过数据分析，得到以下结论：.（1）施肥对外源碳投入和ΔSOC（NPKM> NPK> CK）有显著影响，并且黑河（HH）的固碳效率（CSE）显著低于其它点位。方差分解分析（VPA）的结果表明，相较于气候及外源碳投入，土壤性质可以解释更高的CSE变异。土壤有效氮含量和pH值是解释CSE变异的主要土壤因子。本研究证实了土壤肥力因素对土壤有机碳固存的关键控制作用，并提出了在长期高强度施肥条件下应制定合理的土壤培肥措施来促进土壤碳汇。.（2）SOC储量一般随着土壤深度而降低并随施肥量增加而增加（即初始SOC，CK <NPK <NPKM）。NPK及NPKM处理下，公主岭（GZL）和重庆（CQ）表层和深层土壤SOC储量均显著增加（ΔSOC> 0），但郑州（ZZ）和祁阳（QY）深层土壤SOC储量无显著变化或显著下降。根据实测数据及利用模型模拟，我们首次发现一个规律即：高肥力土壤（GZL、CQ） 0-60cm的CSE均高于0-20cm，但低肥力土壤（ZZ、QY）与之相反。这些结果表明，表层土壤和深层土壤都可以作为重要的土壤碳汇，特别是在高肥力土壤上，深层土壤固碳潜力不容忽视；而在低肥力土壤上，深层土壤的碳耗竭仍然严重，因而土壤培肥尤其显得重要。.该研究结果提升了我们对农田系统固碳潜力及其机制的认知，为我国典型区域旱地土壤有机碳的高效提升技术提供科学依据。