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

1、土壤有機碳（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。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)的長期試驗為基礎，選取跨越不同氣候帶、土壤類型和輪作制度的多個有代表性和良好管理的長期試

2、驗，分析我國典型農(nóng)田土壤有機碳庫的歷史演變過程，并量化其增產(chǎn)效應。另外，本研究評價了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)田土壤有機碳庫及碳平衡的變化，以及SOC對作物產(chǎn)量的影響。主要結果和結論如下：
　　1.相比不施肥，長期（20~30年）施用有機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。整個試驗期間，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)，當施用有機肥或秸稈還田將土壤有機碳庫提升至22~50 t C ha-1時，（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)，施用有機肥或秸稈還田將土壤有機碳庫提升至~35 t C ha-1后

4、，其小麥和玉米的相對產(chǎn)量相比施用化肥處理顯著提升。另外，SOC的提升對北方各地區(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，及土壤有機碳和全氮的演變。尤其是施用化肥（氮、磷和鉀）、有機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系數(shù)均達到0

5、.8以上，且 RMSE和 EF分別為2.32%~5.33%和0.59~0.66；其次，土壤有機碳庫和全氮含量的觀測值與模擬值之間的相關系數(shù)達0.81以上，RMSE為3.12%和2.61%。另外，CO2和N2O排放的模擬結果均通過統(tǒng)計檢驗，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、土壤有機碳和全氮的模擬。
　　3.模擬結果顯示：基于Baseline、RCP2.6

6、、RCP4.5和RCP8.5四中氣候情景，至2100年時，施用有機肥（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，在整個模擬階段，施用有機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，施用有機肥可使土壤有機碳庫顯著提高（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碳（31%~33%）。其三，直線-平臺模型結果表明，通過施用有機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)的土壤有機碳對產(chǎn)量的影響閾值并未有明顯的改變，土壤有機碳的提升在達到一定程度（平均為2

8、5 t C ha-1）后不再對小麥和玉米的相對產(chǎn)量有明顯增加作用。而在一年一熟地區(qū)，土壤有機碳庫與小麥和玉米相對產(chǎn)量沒有明顯的相關性（R2=0.056，P>0.05）。所以說，土壤有機碳與作物產(chǎn)量的關系在不同輪作制度下對未來氣候變化有著不同的響應。最后，施用有機肥后，每生產(chǎn)1kg小麥和玉米產(chǎn)量相應的碳和氮損失最小，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)對氣