中國農(nóng)田土壤有機(jī)碳演變及其增產(chǎn)協(xié)同效應(yīng).pdf

1、土壤有機(jī)碳（SOC）是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的核心要素，也是農(nóng)田生產(chǎn)力和土壤肥力的關(guān)鍵因子之一。SOC的許多轉(zhuǎn)化過程和功能可直接或間接地決定土壤的質(zhì)量和健康，并與作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)緊密相關(guān)。然而，SOC的歷史和未來演變特征仍未明確，其與農(nóng)田生產(chǎn)力的關(guān)系仍未系統(tǒng)量化和研究。
　　因此，本研究基于1980年左右建立的全國農(nóng)田肥料網(wǎng)和1990年左右建立的土壤肥力網(wǎng)的長期試驗(yàn)為基礎(chǔ)，選取跨越不同氣候帶、土壤類型和輪作制度的多個(gè)有代表性和良好管理的長期試

2、驗(yàn)，分析我國典型農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫的歷史演變過程，并量化其增產(chǎn)效應(yīng)。另外，本研究評(píng)價(jià)了SPACSYS模型在我國農(nóng)田SOC演變模擬中的適用性。最后，分析了未來氣候變化條件下下，我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫及碳平衡的變化，以及SOC對(duì)作物產(chǎn)量的影響。主要結(jié)果和結(jié)論如下：
　　1.相比不施肥，長期（20~30年）施用有機(jī)肥可以顯著的提高土壤表層32~87％的SOC庫，秸稈還田相比不施肥也可以增加26~38%的SOC庫。整個(gè)試驗(yàn)期間，不同區(qū)域的SO

3、C固定效率不同?？傮w來看，總碳投入的7.3~16.3%（包括根系碳投入）可以轉(zhuǎn)化為SOC。在北方地區(qū)，當(dāng)施用有機(jī)肥或秸稈還田將土壤有機(jī)碳庫提升至22~50 t C ha-1時(shí)，（東北地區(qū)為44~46 t C ha-1，西北地區(qū)為26~28 t C ha-1，華北地區(qū)為22 t C ha-1），其小麥和玉米的相對(duì)產(chǎn)量相比施用化肥處理只有13~22%的提升。然而，在南方地區(qū)，施用有機(jī)肥或秸稈還田將土壤有機(jī)碳庫提升至~35 t C ha-1后

4、，其小麥和玉米的相對(duì)產(chǎn)量相比施用化肥處理顯著提升。另外，SOC的提升對(duì)北方各地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性有提高，但施用有機(jī)肥相比平衡施用化肥提高不明顯。相反，在南方地區(qū)， SOC的提升對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性有很大提高。
　　2. SPACSYS模型適用于模擬不同施肥措施下我國小麥和玉米的生長，及土壤有機(jī)碳和全氮的演變。尤其是施用化肥（氮、磷和鉀）、有機(jī)肥和秸稈還田三種施肥模式。其中，小麥和玉米產(chǎn)量的模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0

5、.8以上，且 RMSE和 EF分別為2.32%~5.33%和0.59~0.66；其次，土壤有機(jī)碳庫和全氮含量的觀測值與模擬值之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.81以上，RMSE為3.12%和2.61%。另外，CO2和N2O排放的模擬結(jié)果均通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，表明該模型適用于我國農(nóng)田土壤碳、氮循環(huán)過程的模擬?？傊?，SPACSYS模型適用于不同施肥措施下我國小麥和玉米產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳和全氮的模擬。
　　3.模擬結(jié)果顯示：基于Baseline、RCP2.6

6、、RCP4.5和RCP8.5四中氣候情景，至2100年時(shí)，施用有機(jī)肥（NPKM和 hNPKM）相比施用化肥在一年兩熟輪作制度下可提高20~30%的小麥產(chǎn)量；在一年一熟輪作制度下，施用有機(jī)肥相比施用化肥可提高10~20%的小麥產(chǎn)量。在RCP氣候情景下，施用有機(jī)肥（NPKM和 hNPKM）相比施用化肥可提高10~25%的玉米產(chǎn)量。另外，在整個(gè)模擬階段，施用有機(jī)肥和秸稈還田相比不施肥在各氣候情景下均顯著提高了土壤有機(jī)碳庫（提升速率0.237~

7、0.360 t C ha-1yr-1）；相比施用化肥，施用有機(jī)肥可使土壤有機(jī)碳庫顯著提高（44%~86%），但秸稈還田只在一年兩熟輪作制度下提高了土壤有機(jī)碳（31%~33%）。其三，直線-平臺(tái)模型結(jié)果表明，通過施用有機(jī)肥或者秸稈還田的途徑增加系統(tǒng)碳投入，可以增加小麥和玉米最大相對(duì)產(chǎn)量14%~17%和18%~20%。其三，未來氣候變化條件下，一年兩熟地區(qū)的土壤有機(jī)碳對(duì)產(chǎn)量的影響閾值并未有明顯的改變，土壤有機(jī)碳的提升在達(dá)到一定程度（平均為2

8、5 t C ha-1）后不再對(duì)小麥和玉米的相對(duì)產(chǎn)量有明顯增加作用。而在一年一熟地區(qū)，土壤有機(jī)碳庫與小麥和玉米相對(duì)產(chǎn)量沒有明顯的相關(guān)性（R2=0.056，P>0.05）。所以說，土壤有機(jī)碳與作物產(chǎn)量的關(guān)系在不同輪作制度下對(duì)未來氣候變化有著不同的響應(yīng)。最后，施用有機(jī)肥后，每生產(chǎn)1kg小麥和玉米產(chǎn)量相應(yīng)的碳和氮損失最小，相比不施肥和施用化肥分別降低了20%~46%和2%~24%。因此，有機(jī)肥的施用不但可以維持土壤肥力，而且可以減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣