长期施肥对中国黑土有机碳和氮的分布与稳定性的影响

来源 :中国农业科学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuzw93
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增加土壤碳(C)和氮(N)储量对于应对气候变化和确保粮食安全至关重要。世界农田土壤C的固存潜力为0.4~0.8 Pg y-1,其可以通过采用推荐管理措施(包括施肥管理)实现。本研究旨在定量评估长期不同有机肥和化肥配施有机肥施用对土壤有机碳(SOC)储量的影响,比较与储量变化因素相关的计算反应,并提出促进SOC固持的建议。结果表明,长期有机肥(M)和化肥配施有机肥(MNPK)能显著土壤SOC储量。不同施肥处理和土壤剖面不同深度的有机碳储量存在显著差异(p<0.05),且其对初始SOC含量敏感。分析表明,持续施用有机肥和秸秆还田是缓解气候变化、保障我国粮食安全的有效措施。我们的结果强调为了更准确地反映政策措施的效果,应在根据肥料管理、气候和土壤类型对农田进行详细分类基础上,探究有机碳变化的驱动因素。土壤有机碳作为影响作物产量的关键土壤质量指标,是由一系列特殊稳定组分构成的复杂连续体。然而,关于长期施肥对剖面土壤有机碳保护机制的敏感性研究较少。因此,本研究以东北黑土为研究对象,使用物理化学联合分组的方法,分析连续施用化肥和有机肥35年后,0-100 cm剖面不同保护机制下土壤有机碳的含量及分布特征。结果表明,氮磷钾化肥配施有机肥(MNPK)处理下土层总有机碳含量在0-20 cm及20-40 cm分别显著增加了16.15%和12.34%,但单施有机粪肥(M)处理下土层总有机碳含量在40-60 cm、60-80 cm和80-100 cm土层则分别显著增加了56.14%、40.73%和27.73%。与不施肥(CK)相比,MNPK处理的表层和M处理的底层土壤中,土壤未保护粗颗粒有机碳(cPOC)分别增加48%和26%,物理保护的微团聚体有机碳(μagg)分别增加20%和18%,闭蓄态颗粒有机碳(iPOC)分别增加279%和93%。回归分析表明,在整个土壤剖面中,各层土壤总有机碳与cPOC、iPOC、物理-生化保护态的NH-μSilt和物理-化学保护态的H-μSilt均呈线性正相关关系(p<0.01)。在各施肥措施的影响下,未保护的cPOC组分对施肥措施的响应最敏感,其次是物理保护态iPOC。总体而言,物理、物理-生化和物理-化学保护是整个土壤剖面各层有机碳固定的主要保护机制,而生化保护机制仅与表土有机碳固定有关。化肥配施有机肥虽然均提高了表层和下层土壤的SOC,但表层和下层土壤有机碳的稳定机制存在明显差异。大多数SOC被固定在未保护态和物理保护态微团聚体中。总体而言,整个剖面上土壤不同组分有机碳对长期施肥的响应敏感性的明显差异,表明其相关的有机碳固定机制也截然不同。未保护态cPOC和物理保护态iPOC是碳积累的主要部分。同时,物理保护机制表明团聚体的形成对表层和底层土壤碳固定都很重要。此外,不同施肥措施下60-80 cm和80-100 cm土层H-dSilt、NH-dSilt、NH-dClay和NH-μClay组分C没有明显的差异,这表明深层土壤微团聚体粉粒组分中碳可能已达到饱和,或现有的碳输入水平不足以引起这些组分的变化。此外,施肥对在下层土壤(60-80 cm和80-100 cm)中有机碳的物理化学态有机碳变化较小,而生物化学和物理生物化学态有机碳组分无变化,表明这些组分可能已接近或完全饱和。综上,施用有机肥在很长一段时间内能显著促进黑土碳的累积,尤其是在深层土壤中。未来研究可侧重于评估有机肥不同施用量对保护机制的影响及探索有机碳固持的驱动因素。与不施肥(CK)相比,单独施肥(NPK)和化肥配施有机肥(MNPK)显著增加了表层土壤(0-20 cm和20-40 cm)TN含量,而单施有机肥(M)则显著提高了亚表层土壤(40-100 cm)TN含量。与PK处理相比,NPK的表层土壤(0-40 cm)TN含量较高,但亚表层土壤(40-60cm和80-100 cm)TN含量较低。对于所有处理而言,表层土壤(0-20cm)的TN占0-100 cm剖面土体的百分比最高(30%),而底层(80-100cm)土壤的最低(14%),且TN所占比例在20-60 cm与60-100 cm的土层之间无显著差异。化肥配施有机肥虽然均提高了表层和下层土壤的SON,但表层和下层SON累积相关的稳定机制存在明显差异。大多数SON被固定在未保护态和物理保护态微团聚体中。总体而言,整个剖面上土壤不同组分SON对长期施肥的响应敏感性的明显差异,表明与其相关的SON固定机制也截然不同。未保护态cPON和物理保护态iPON是氮积累的主要部分。此外,物理保护机制表明团聚体的形成对表层和底层土壤N固定都很重要。土壤有机碳(SOC)是决定土壤肥力和维持土壤健康的重要指标。了解土壤剖面中有机碳稳定的驱动因素是至关重要的。此外,C、N和P含量及其计量比(C:N:P)如何调节养分有效性,以及SOC稳定机制对长期施肥的响应尚无定论。本研究旨在确定长期化肥和有机肥如何影响剖面土壤C:N:P比,以及这种元素计量比如何影响OC稳定的保护机制。对于0-100cm剖面土壤C、N和P含量及其化学计量比的分析结果表明,表层(0-20和20-40cm)和下层土壤(40-60、60-80和80-100cm)土壤的C、N、P含量及其化学计量比存在差异显著(p<0.01),且不同处理对C:N:P的含量和化学计量比也有影响。与CK相比,NPKM处理显著增加表层土壤C、N和P含量(p<0.05),而M处理增加了底层土壤C、N和P含量。总体而言,C、N、P含量及其化学计量比随深度增加而下降。回归分析表明,C:N、C:P和N:P比仅与表土层中的OC组分显著相关。这些负相关表明,C:N、C:P和N:P比显著影响表层中的C稳定性。然而,这些结果值得进一步研究,以研究不同深度土壤和微生物的化学计量学与有机碳之间的关系。长期施用有机肥提高了表层和深层土壤碳的固存;因此,这些事实可以被认为与中国种植制度中的肥料建议有关。综上所述,有机肥和化肥的施用增加了表层和下层土壤的SOC,TN密度,储量和含量。此外,基于保护机制,单独施用肥料和/或与矿物肥料结合使用肥料可提高与级分相关的SOC和TN含量。结果表明土壤聚集的重要性在整个剖面中在SOC和TN固存中起着重要作用,并且对于确保土壤质量以实现粮食安全和减缓气候变化的最终目标至关重要。
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