中国典型农田土壤有机碳周转的区域格局与主导因素

Soil organic carbon (SOC) is key to maintain soil quality and has great impact on carbon-climate feedbacks, especially in cropland because cropland soils have greater potential to sequester C compared to forest and grassland. It is critical to understand the drivers of SOC change in cropland, which is primarily regulated by SOC turnover. SOC turnover time is affected by climate, soil properties, microbes, and management, but these factors are interconnected and it is difficult to quantify their relative contribution to the variation of SOC turnover time. In addition, there are also methodological uncertainties in estimating SOC turnover time at large scale. This project aims to identify the drivers of SOC turnover time in Chinese cropland and to quantify their influences on SOC turnover time by using boosted regression tree and structural equation modeling. Three methods, i.e. laboratory incubation, multiple year observation of SOC stock in the long-term agricultural trials with the inverse modeling, and 14C, will be used to estimate SOC turnover time in 12 agricultural study sites, which represent typical climate conditions, soil type, and management in Chinese cropland.

由于固碳潜力大、可调控性强，农田土壤有机碳 (SOC) 变化受到长期广泛的关注。SOC周转速率是准确预测SOC储量变化的核心指标，受气候、土壤和施肥等管理措施多因素的交互影响， 而且其测定方法也不一致。在区域尺度上，很少有研究同时运用培养实验、长期定位观测和14C这三种方法估算SOC周转速率，更不清楚影响SOC周转速率的主导因素及其调控机制。本项目拟依托全国农田土壤肥力长期试验网络，选取典型气候、土壤类型和施肥管理下的土壤，采用上述三种方法来估算SOC周转速率，结合推动回归树分析 (boosted regression tree) 和结构方程模型等方法，系统研究气候、土壤、微生物、施肥措施对SOC周转速率的影响，明确方法是否对估算SOC周转速率造成系统差异，揭示影响SOC周转速率的主导因素及途经，量化这些因素对SOC周转速率的影响程度，为准确预测大尺度SOC储量变化提供理论依据。

土壤有机碳周转速率是准确预测土壤有机碳储量变化的核心指标，受到气候、土壤性质、微生物和管理措施等多因素的交互作用，而且在大尺度上估算土壤有机碳周转速率的方法也不一致。农田土壤由于固碳潜力大、可调控性强，农田土壤有机碳变化受到长期广泛关注，但并不清楚大尺度上影响土壤有机碳周转的主要因子，也不清楚不同测定方法对其估算的差异。本项目利用14C 、长期农田定位监测实验结合模型反演的方法估算了我国农田土壤有机碳的周转速率及其影响因子；同时利用整合分析，研究了全球土壤剖面微生物总生物量和不同类群的生物量与土壤有机碳含量的关系；还通过野外控制实验，研究了植物地上和地下输入对土壤真菌群落多样性和土壤有机碳分解速率的影响，探究真菌群落变化调控土壤有机碳分解的机理。结果发现，两种不同方法估算的我国农田土壤有机碳周转速率差异大。14C同位素法估算农田表层土壤有机碳的周转时间为1095-2900年，施肥处理没有对土壤有机碳周转造成显著差异，但有机碳周转随着土壤深度而变慢。但是，通过长期定位观测结合数据反演估算的土壤有机碳周转时间为45-111年，远远快于14C法估算的结果；而且土壤有机碳周转主要受到有机物输入量和土壤粘粒含量的影响。研究结果显示，土壤微生物总生物量和不同类群的生物量均与土壤有机碳含量有很强的相关性；尽管不同类群的微生物生物量均随土壤深度而下降，但下降趋势并不相同，真菌下降地最快。野外控制实验结果显示，土壤真菌群落结构和土壤有机碳分解速率对植物地上和地下输入改变的响应并不一致，表明土壤微生物群落结构和功能对有机碳输入变化的非耦联性。本项目指出不同方法估算的土壤有机碳周转速率差异很大，明确土壤有机碳周转速率的主要影响因子，为微生物生物量和群落结构调控土壤有机碳变化的机理提供了新证据。