有机栽培下土壤质量演变机理研究

This project takes investigation and sampling results of long-term organic cultivation experiment from different regions in China with conventional culture as the control. By using IR, NMR Py-GC/MS modern analytical techniques, we can analyze the soil organic matter and its components and structure characteristics and its dynamic changes; By using thin section micro morphological analysis combined with X-CT, we can analyze the soil aggregates and its inner organic carbon distribution or its biome; and study the evolution of soil organic matter structures and its biological effects under long-term organic cultivation; reveal the changes of soil morphological characteristics under different cultivation on soil aggregate formation and structural change. Through these analyses we can clarify the soil quality evolution mechanism of organic cultivation conditions. Finally establish a combined model of evaluation and prediction of the soil quality under organic cultivation conditions. The research on the mechanism of soil quality changes in this project research under organic cultivation mode has the vital significance to promote organic agriculture in China's sustained and healthy development.

本项目研究我国有机农业中土壤质量演变问题。拟以中国农业大学曲周有机农业长期定位试验为基础，结合面上调查实验，以常规栽培为对照，利用核磁共振、质谱、热解气相色谱/质谱（Py-GC/MS）等多种光谱分析技术研究长期有机栽培模式对土壤有机质含量、组分和结构特征的影响及其动态变化，分析探讨长期有机栽培方式土壤有机质的演变规律；利用土壤微形态分析技术和X－衍射3D计算机成像技术(CT)技术相结合，研究土壤有机碳、土壤团聚体与生物之间的交互作用，分析不同栽培方式下土壤有机质组成及形态特征对土壤团聚体形成及结构变化的影响规律，剖析有机栽培下土壤的固碳机制；利用现代生物技术研究有机栽培模式下土壤生物特性的变化，分析大量施有机肥对土壤的培肥熟化机理；构建立土壤质量综合评价模型，揭示有机栽培条件下土壤综合质量演变的机理。本项目对推动我国有机农业的持续健康发展有重要意义。

本项目在我国不同地区分别选取了28个蔬菜有机生产基地，并进行了调查与土壤样品采集。同时结合曲周长期定位试验研究有机质种植对土壤质量指标的影响，利用元素分析、红外光谱和核磁共振分析技术研究长期有机栽培模式对土壤有机质含量、组分和结构特征的影响，分析探讨长期有机栽培方式下土壤有机碳特性的变化；通过高通量测序研究长期有机栽培模式下土壤团聚体内微生物群落结构的变化，解析了长期有机栽培团聚体内微生物对土壤碳组分转化及土壤固碳机制；分析长期大量施用有机肥对土壤中重金属、抗生素等污染物的影响，评估了长期有机栽培土壤环境污染的生态风险；采用综合指数法对长期不同栽培方式下土壤质量进行定量化评价，揭示了有机栽培对土壤质量的影响机制。结果表明：有机栽培能够改善不同地区土壤结构、降低土壤容重、调节土壤酸碱平衡并提高土壤中养分含量和土壤酶活性。经过16年的有机栽培0-20 cm土层内容重显著降低，土壤有机碳（SOC）、速效磷、CEC、有效锌（Zn）、锰（Mn）和铁（Fe）的含量显著增加，而20-60 cm土层内的变化并不显著。说明有机栽培主要对表层土壤（0-20 cm）的结构和肥力特性产生影响。与常规栽培相比，有机栽培使活性有机碳组分（DOC、MBC、POC和EOC）提高，土壤碳储量提高了51.14%，绿色栽培次之；有机栽培和绿色栽培均提高了HA和FA的脂化度而降低其芳化度；土壤团粒是土壤碳富集的主要场所，缓性碳和惰性碳提升是土壤固碳的主要机制。有机栽培显著降低了土壤团聚体内细菌群落的相对丰度，但显著增加了团粒团聚体（2-0.25 mm）内真菌群落的相对丰度，提高了土壤团聚体稳定性以及有机碳固定。构建了有机栽培土壤质量评价指标体系，评价结果表明有机栽培土壤质量综合指数最高，土壤健康度最高，但仍存在一定程度重金属、抗生素等累积污染风险。综上所述，有机栽培是改善土壤结构、提高土壤肥力、增加土壤有机碳固持量的有效措施，但应注意长期大量有机肥投入可能造成的土壤环境及生态系风险。