耕作措施对华北麦-玉两熟农田土壤有机碳稳定性的影响及其机制研究

It is critical to mitigate climate change and sustain crop production by increasing the soil organic carbon (SOC) sequestration with optimized farming managements. Soil tilth can be significantly affected by different tillage practices, which leads to changes in soil carbon cycle and SOC sequestration. However, it still needs an in-depth understanding of the dynamics and stability of SOC induced by tillage practices and their relations with the changed soil environment. Based on a long-term tillage experiment and our previous works, this study focuses on the stability of physical and chemical mechanism of SOC under different tillage practices in wheat-maize double cropping system. This study would clarify the dynamics and mineralization of SOC and its fractions, reveal differences of the molecular structures of SOC and its fractions, figure out differences of the form and distribution of soil minerals, understand the interaction between chemical components and physical fraction of SOC；and identify the driven factors. This study will provide theoretical basis and technical support for enhancing SOC sequestration and mitigating climate change for the wheat-maize double system in North China Plain.

优化农田管理措施，挖掘土壤固碳潜力对于缓解气候变化和维持作物生产具有重要的意义。土壤耕作可以调整耕层构造，影响土壤碳循环过程，从而改变土壤固碳能力。然而，不同耕作措施下的有机碳稳定机制及环境因素影响有待进一步明确。本项目基于不同耕作措施长期定位试验，在已开展研究的基础上，重点研究麦-玉两熟农田不同耕作措施土壤有机碳的物理及化学稳定机制，阐明土壤有机碳及其组分的动态与矿化规律；明确有机碳及不同组分的分子结构差异和矿质元素的形态与分布差异；揭示有机碳库物理组分与化学成分之间的关系；探明土壤有机碳稳定性对环境因素改变的响应机理；揭示不同耕作措施对土壤固碳效应的影响机制，为增强华北麦-玉两熟农田土壤固碳能力，缓解气候变化提供理论依据及技术支撑。

明确保护性耕作下农田土壤有机碳（SOC）稳定性机理，可为缓解气候变化提供理论支撑。本研究以长期不同耕作措施定位试验为基础，结合室内培养和13C同位素标记技术，系统研究了免耕+秸秆还田（NTR，保护性耕作）、免耕+秸秆不还田（NT0）、翻耕+秸秆还田（PTR）和翻耕+秸秆不还田（PT0）四个处理对SOC矿化的影响，阐明保护性耕作下SOC稳定的物理化学保护机制，及其对外源碳投入的激发效应和外界环境的响应。结果表明：NTR处理通过降低0-10 cm土层SOC矿化提高SOC含量。在0-5 cm和5-10 cm土层，NTR处理的SOC含量最高，分别为14.23和12.23 g kg-1（8年平均）。单位土壤累积矿化量（SOCam）表现为随土层的加深逐渐降低的趋势，NT0处理显著降低了0-20 cm土层的SOCam（P<0.05）。单位SOC累积矿化量（SOCpm）与SOC含量存在显著的负相关关系。在0-5 cm和5-10 cm土层，NTR的SOCpm最低。NTR处理降低了小麦和玉米地上部和根系碳投入后的激发效应强度，根系投入后NTR处理仍表现为总矿化量最低。冗余分析表明，土壤全氮和SOC含量分别是解释小麦和玉米季SOC矿化和激发效应变异度最高的指标，解释度分别为67.8%和60.9%。NTR处理通过促进大团聚体和铁铝氧化物形成而降低SOC矿化。NTR处理显著增加了0-20 cm土层>2 mm和0.25-2 mm粒径团聚体比例和0-10 cm土层各粒径碳含量，且降低了0-10 cm土层各粒径碳SOCpm。SOCpm与络合态铁、络合态铝、非晶体铝含量呈现显著的负相关关系，NTR处理显著增加了0-20 cm土层络合态铁/铝含量和0-30 cm土层非晶体铝含量。对秸秆投入后的SOC矿化而言，铁铝氧化物的化学保护较团聚体的物理保护更重要。NTR处理增加了SOC矿化过程中的温度敏感性（Q10），土壤水分提高在一定程度上抑制了Q10。这说明在全球升温背景下，会加速NTR处理SOC损失，但免耕下高土壤水分含量可以有效降低Q10。综上，长期保护性耕作措施增强了土壤大团聚体聚合，增加了络合态铁/铝、非晶体铝含量，最终实现外源小麦或玉米碳投入后单位SOC累积矿化量的降低，因此，保护性耕作下土壤有机碳是能够被长期储存在土壤中；其中铁铝氧化物化学保护对有机碳稳定更为重要。