地膜覆盖对黄土高原农田土壤碳库及其组成结构的影响和过程模拟

Plastic film mulching can improve soil moisture and thermal conditions to increase crop productivity, and it has become one of the most widely used agricultural land management practices in the dryland farming areas of Loess Plateau. However, the scientific community paid a great deal of attention to the potential that plastic film mulching could increase soil respiration and reduce soil organic carbon storage. There is still a lack of enough evidence of how the soil carbon pool will be changed under the plastic film mulching according to the current studies. The mechanism and process of soil carbon pool cycling under mulching is still poorly understood. How the soil carbon pool structure change under plastic film mulching? Whether the soil carbon pool structural change will affect the long-term stability of carbon stocks; how the carbon convert among the various carbon pools is still unknown. The plastic film mulching impact on yield improvement effect and soil carbon pool showed complex spatial heterogeneity. This proposed project will combine the field experiment with carbon cycle model (DNDC) to evaluate how the plastic film mulching impact on the soil carbon pool and structural on a long-term application. Furthermore, this model could be an effective measure for future sustainable agriculture development in the Loess Plateau.

地膜覆盖可有效改善土壤水热状况并增加作物产量，已经成为黄土高原旱作农业区应用最广的农田管理措施之一。科学界对其可能提升土壤呼吸，改变土壤有机碳库平衡有着极大的关注。然而目前对长期以及大范围使用地膜覆盖会对土壤碳库带来何种影响以及造成这种影响的机理过程了解很不足。特别是覆膜下土壤碳库结构（活性及惰性碳库）如何变化，碳库结构变化是否会影响碳库的长期稳定及平衡，碳素如何以及以何种速率在各子碳库之间转换等问题还几乎没有研究，正确理解这些问题对认识覆膜措施的生态效应无疑是十分必要的。本项目拟将多点田间试验与碳循环模型（DNDC）相结合，对DNDC模型中的碳循环过程进行校正和改进，深入研究覆膜后碳素在土壤中的转换过程与机制，对本地区大面积和长期采用地膜覆盖对土壤碳库可能造成的影响进行评估，为深入理解覆膜栽培技术的可持续性奠定基础。

地膜覆盖可有效改善土壤水热状况且增加作物产量，已成为了黄土高原旱作农业区应用最广的农田管理措施之一。本研究探索了覆膜对土壤呼吸以及土壤有机碳库平衡的影响和潜在机理。明确了覆膜下土壤碳库结构（活性及惰性碳库）的变化动态以及长期覆膜对土壤碳库稳定性的影响。同时还利用本研究获取的数据，对DNDC模型进行了改进，并依据改进的模型探索覆膜的适宜区以及长期覆膜后，整个黄土高原碳库的可能变化动态。研究发现在黄土高原雨养农业区，覆膜可以显著增加玉米产量，在施肥的条件下，产量的可持续性指数最高。在长达8年的连作下，作物产量仍保持稳定。地膜覆盖在提高作物产量的同时，维持了土壤水分及土壤有机碳的可持续性。长期覆膜对土壤总有机碳含量及重组有机碳含量没有显著影响，只有土壤轻组有机碳含量显著降低，导致了土壤有机碳库结构的改变。在种植作物的情况下，通过保持新生成碳的输入可以有效增加轻重组有机碳中新碳的比例，缓解碳库降低速率。基于田间实验结果，对DNDC模型进行了修正，提升了模型对覆膜农业生态系统土壤碳库模拟的能力。通过这一模型，从单点和区域尺度探索了覆膜种植系统的产量提升能力以及其对于土壤碳库的影响。模型表明覆膜种植系统在干旱指数0.15到0.3的区间，其增产效果最好，适宜于推广使用。但是在覆膜玉米种植系统中，必须要保持5%以上的秸秆还田量，才能维持土壤碳库的稳定，若这一比例超过10%以上，其就可以同时维持土壤轻组、重组以及总有机碳库的不断增加。这一结论对于黄土高原乃至于全中国旱作覆膜农业种植管理体系的科学合理利用有重要价值。本研究首次提供了定量化的分析结果以及易于操作的模型软件，有利于研究者通过模型探索覆膜农业种植系统的可续管理措施，并对所种植作物的产量做出预测。这一系统未来在智慧农业方面有重大的应用潜力。