长期施肥下典型黄壤稻田土壤有机碳库及其组分的演变特征

Soil carbon sequestration and the evolution mechanism of soil organic carbon and its fractions are of great significance for understanding the impact of soil organic carbon on climate change. Now, the characteristics and mechanisms of responses of soil organic carbon and fractions to long-term fertilization are not well known in yellow paddy soil. Based on the long-term fertilizer experiments established in typical yellow paddy soil in Guizhou province of China, selecting 6 treatments (no fertilization(CK), only nitrogen fertilizer application(N), only organic fertilizer application(M), nitrogen and phosphate fertilizers application(NP), nitrogen, phosphate and potassium fertilizers application(NPK), nitrogen, phosphate, potassium and organic fertilizers application(NPKM)), the soil organic carbon physical and chemical fractionation method of Stewart will be used. The study include the response characteristics of soil organic carbon and its fractions(soil non-protected free carbon, physically protected carbon, chemically protected carbon and biochemically protected carbon fractions) under long-term fertilization in yellow paddy soil. The study will clarify the variation of soil organic carbon and its fractions in the time sequence and the contribution of different soil organic carbon fractions pool to the total soil organic carbon pool. The study will evaluate carbon sequestration effect of different fertilization in yellow paddy soil and clear carbon sequestration potential of typical agricultural soil in Guizhou province from the view of the response of soil carbon evolution and the system organic matter input furthermore. The results will provide new insights to carbon cycling in agroecosystems, and provide scientific basis for optimizing fertilization technology for carbon sequestration in yellow paddy soil in Guizhou province.

土壤固碳及土壤有机碳组分库的演变机制对于认识土壤有机碳对气候变化的影响具有重要意义。本研究针对黄壤稻田土壤不同组分有机碳对长期施肥下的响应特征及机制不明确的科学问题，以贵州典型黄壤稻田长期施肥试验（选取6个处理：不施肥(CK)；单施氮肥(N)；单施有机肥(M)；氮磷肥配合施用(NP)；氮磷钾肥配合施用(NPK)；有机无机肥配合施用(NPKM)）为基础，采用 Stewart的土壤有机碳物理-化学联合分组方法，研究长期施肥下黄壤稻田土壤有机碳库和各有机碳组分库（游离活性、物理保护、化学保护、 生物化学保护）对不同施肥措施的响应特征，弄清典型黄壤性水稻土各组分有机碳库的时序变化特征及其对土壤有机碳库的贡献；进一步从土壤有机碳库的演变规律与有机物质投入响应的角度，明确黄壤稻田固碳潜力和高效固碳施肥模式。研究结果将丰富农田系统碳循环的基础理论，为优化黄壤稻田高效固碳施肥措施提供科学依据。

【目的】不同保护机制的有机碳由于稳定性的差异，表现出不同的肥力效应和生物有效性。本研究以黄壤性水稻土为研究对象，旨在研究揭示土壤有机碳组分对长期施肥的响应及其演变，并探讨土壤有机碳组分的饱和现象。【方法】依托始于1995年的贵州省黄壤性水稻土长期施肥定位试验，采集2006—2014年间偶数年份5个处理的土样，采用物理-化学联合分组法，研究不同施肥条件下土壤有机碳组分的含量、分配比例和时序变化特征，通过定量分析土壤有机碳组分含量与年均碳投入量的关系，探讨土壤有机碳组分的饱和现象。试验处理包括：不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）、低量有机肥无机肥配施（0.5MNPK）和常量有机肥无机肥配施（MNPK），碳投入梯度为0.87～6.02 t/ha/yr。【结果】与不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理相比，施用有机肥（M、0.5MNPK和MNPK）显著增加了土壤游离活性、物理保护、化学保护有机碳含量（P < 0.05），总有机碳提升15%—39%，其中以常量有机无机配施（MNPK）的提升幅度最高。2006—2014年间，4个施肥处理的土壤有机碳及其组分含量随时间均呈增加趋势，不施肥处理随时间无明显变化。施用有机肥（M、0.5MNPK和MNPK）处理的土壤游离活性、物理保护、化学保护有机碳含量的年增加速率和增幅均高于不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理，其总有机碳的年增加速率分别为不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理的3.5—3.7倍和1.5—1.6倍。游离活性有机碳占总有机碳的比例（58%—63%）是其他组分的3—14倍。长期施肥条件下土壤游离态粗颗粒有机碳浓度与年均碳投入量呈显著的线性关系，而化学保护态有机碳浓度与生物化学保护有机碳浓度以及土壤总有机碳含量，均与年均碳投入量呈显著的“饱和曲线效应”的对数函数关系。【结论】未保护游离活性有机碳是土壤总有机碳的最大部分，且对施肥响应最敏感。常量有机无机肥配施是提升土壤有机碳储量的最有效模式。黄壤性水稻土较稳定的有机碳组分（化学保护态、生物化学保护态）以及总有机碳存在饱和现象，在当前条件下出现饱和限制。