典型农田土壤不同组分有机碳对有机培肥的响应特征及机制

Characteristics and mechanisms of responses of soil organic carbon fractions to organic amendments (manure application and straw retention) are not well known. Based on long-term fertilizer experiments established on northeastern black soil, central fluvo-aquic soil and southern red soil of China, labaratory incubation experiments, soil organic carbon physical and chemical fractionation method and stable carbon isotopic technique will be used. Study contents include effects of long-term organic amendments on density of soil organic carbon fractions, effects of organic matter (manure and straw) addition on input, decomposition (priming effect) and net balance of soil organic fractions, and impacts of soil carbon saturation deficit on response sensitivities of soil organic carbon fractions to organic amendments. The objective is to comprehensively indicate response characteristics of soil non-protected free carbon, physically protected carbon, chemically protected carbon and biochemically protected carbon fractions to organic amendments, and to clarify their response mechanisms from the view of soil carbon input-output and of soil carbon saturation limit. Our results will provide new insights to carbon cycling in agroecosystems, and also provide scientific basis for improving soil fertility and achieving the win-win of benefiting food security and mitigating climate change.

本项目针对土壤不同组分有机碳对有机培肥（施用粪肥和秸秆还田）的响应特征及机制尚不明确的科学问题，拟以我国东北黑土、中部潮土和南方红壤三大典型农田土壤上的长期肥料试验为基础，采取长期定位试验和室内培养实验相结合的方法，利用Stewart的土壤有机碳物理-化学联合分组方法和稳定碳同位素示踪技术，研究：长期有机培肥对土壤不同组分有机碳密度的影响；有机物料添加对土壤不同组分有机碳的投入、分解（激发效应）及净平衡的影响；土壤碳饱和空隙对有机培肥下不同组分有机碳响应敏感性的影响，旨在全面揭示土壤的游离活性、物理保护、化学保护和生物化学保护组分有机碳对有机培肥的响应特征，并从土壤碳的输入-输出和饱和限制的角度，阐明不同组分有机碳的响应机制。研究结果将丰富农田系统碳循环的基础理论，为合理培肥地力、实现"促进粮食安全和减缓气候变化"的双赢提供理论依据。

以长期肥料试验为基础，采取长期定位试验和室内培养实验相结合的方法，利用Stewart的土壤有机碳物理-化学联合分组方法和稳定碳同位素示踪技术，研究：长期培肥对土壤不同组分有机碳密度的影响；有机物料添加对土壤不同组分有机碳的投入、分解（激发效应）的影响；土壤碳饱和空隙对有机培肥下不同组分有机碳响应敏感性的影响，旨在全面揭示土壤的游离活性、物理保护、化学保护和生物化学保护组分有机碳对有机培肥的响应特征，并从土壤碳的输入-输出和饱和限制的角度，阐明不同组分有机碳的响应机制。主要结果及结论如下：（1）有机培肥显著提高了土壤总有机碳及各组分有机碳密度。与不施肥相比，长期有机培肥下黑土、潮土、红壤和水稻土总有机碳密度分别提高了12—85%、15—27% 、13—124%和7—33%，但总的来说活性碳组分（游离活性和物理保护态碳）的提升幅度低于惰性碳组分（化学保护和生物化学保护态碳），即惰性碳组分对有机培肥的响应敏感性相对较差。土壤有机碳组分占总有机碳的比例在黑土、潮土和红壤中表现为惰性碳组分（化学保护有机碳和生物化学保护有机碳）> 游离活性碳组分 > 物理保护碳组分，在水稻土中表现为游离活性有机碳 > 惰性有机碳 > 物理保护有机碳。说明黑土、潮土和红壤在当前条件下的有机碳主要储存在稳定有机碳库中，而水稻土则储存在游离活性有机碳库。（2）外源碳添加对土壤碳的激发效应方向和强度因土壤类型和有机碳组分的不同而不同。其中，黑土、潮土和红壤表现出明显的正激发效应，而水稻土则为负激发效应。就不同土壤碳组分而言，秸秆碳对黑土、潮土稳定碳组分（化学保护和生物化学保护碳）的激发效应强度显著高于活性碳组分（游离活性、物理保护碳组分）。这说明水稻土有机培肥的固碳作用与其负激发效应有关，而其他土壤虽然表现正激发，但激发的损失量不足碳投入的增加量，从而表现为固碳作用。碳饱和空隙越大，则投入碳在稳定碳组分中的稳定效率越高，而在相对活性碳组分中的稳定效率越低，这表明稳定碳组分对有机培肥的敏感性较差与土壤的饱和程度有关，即饱和度越高，其响应越不敏感。