不同耕作模式对农田黑土有机碳组分稳定性的影响机制

Conservation tillage, consisting of decreasing soil disturbance from tillage and residue returning, increases soil organic carbon (SOC) storage, but for the SOC stabilization in physical, chemical and biological fractions, there are different responses to long-term and short-term tillage patterns. Tillage destroys soil aggregates and changes SOC in physical fraction. Residue-carbon input results in the changes of SOC in physical, chemical and biological fractions. With the time going on, will the stabilization of these SOC fractions change? Which pool will the new C accumulate and how will the stabilization of this fraction? These questions haven’t been answered and are often ignored. Based on the long-term conservation tillage experiment and three SOC fractionation methods, the objectives of this proposal are 1) to study the effects of tillage patterns on SOC fractions and their stabilization; 2) to select the indicators sensitive to the influences of tillage patterns and which can characterize the influences of tillage patterns on SOC stabilization on the long term and short term; 3) to explore the mechanism of SOC stabilization under tillage patterns. The results will provide scientific evidence on selecting proper tillage patterns which is more helpful for C sequestration in Black soil region of Northeast China on the long term. It also will provide useful parameters for SOC turnover model in the future.

保护性耕作下减少耕作扰动和秸秆还田会增加土壤有机碳储量，但长期和短期时间尺度上土壤有机碳及其组分（物理、化学和生物组分）的稳定性表现出不同的响应。耕作破坏土壤团聚体，主要引起有机碳物理组分的变化，外源碳输入（秸秆还田）会引起有机碳物理、化学和生物组分的改变。那么这些有机碳组分随着耕作模式实施年限的增加，其在土壤中的稳定性是否会发生变化？外源碳输入到土壤后，主要在哪个有机碳库累积，其稳定性如何？以上问题尚没有明确的回答，而且常常被忽视。本项目拟以保护性耕作长期定位试验为研究平台，从土壤有机碳物理、化学和生物组分入手，研究耕作模式对黑土有机碳组分及其稳定性的影响，筛选对耕作措施响应最为敏感的组分和可以客观表征耕作模式对短期和长期尺度上有机碳稳定性影响的组分，揭示耕作模式对土壤有机碳周转的作用机制，为东北黑土区筛选最有利于长期固碳的耕作模式提供科学依据，为未来有机碳周转模型提供合理的参数指标。

保护性耕作减少扰动和秸秆还田会增加土壤有机碳（SOC）储量，但SOC组分表现出不同的响应，其稳定性如何？外源碳输入到土壤后，主要在哪个有机碳库累积？针对上述问题，项目基于长期定位试验与田间原位示踪试验，从SOC物理、化学和生物组分入手，研究耕作模式（免耕玉米连作NTMM、秋翻玉米连作MPMM、免耕玉米-大豆轮作NTMS、秋翻玉米-大豆轮作MPMS，传统耕作CTMM作为对照）对SOC各组分稳定性的影响，定量秸秆还田后新碳的去向，揭示不同耕作模式下SOC的稳定机制，为东北黑土区筛选最有利于长期固碳的耕作模式提供科学依据。主要结论如下：.与初始值相比，耕作模式增加了耕层SOC储量，其中NTMM增加速率最高（0.80 Mg C ha-1 yr-1），作物碳进入土壤的比例也最高（16%）。.土壤有机碳稳定性可以从物理、化学和生物组分对耕作模式的响应来表征。短期来看，耕作模式主要引起土壤有机碳活性组分的变化，各组分稳定性随年限的延长而发生变化。长期NTMM处理中大团聚体包裹的微团聚体SOC含量均高于其他耕作模式，所有耕作模式中SOC储量的增加主要是通过粘粒结合碳储量的增加实现。耕作模式对活性碳库的影响仅限于表层5cm，而对所有土层惰性碳库（木质素等）均产生影响。作为代表细菌代谢产物的胞壁酸对耕作模式响应敏感。SOC的生物稳定性通过土壤潜在可矿化碳表征，土壤潜在可矿化碳在耕层受到耕作模式的影响，其变化取决于土壤中轻组物质中所含SOC占总SOC的比例。虽然在NT中大量秸秆还田，增加了其富氢化合物的含量，但并没有降低其热稳定性。相反的，微生物利用秸秆产生了较为稳定的微生物残体（氨基糖），表现出NT的热稳定性高于MP。.NT下秸秆还田后新碳在各个土层均有累积，且在0-20cm土层中NT下新碳累积量高于MP。耕作模式仅影响>250μm团聚体对新碳的积累，不同粒径分组中砂粒新碳累积最高，其次为粘粒，粉粒最低。从化学分组角度出发，秸秆还田产生的新碳在活性及惰性碳库均有累积，而耕作方式仅影响活性碳库中新碳累积量，对惰性碳库的累积不存在显著影响。