土壤碳循环研究及中国稻田土壤固碳研究的进展与问题

土壤碳循环是与全球气候变化密切相关的重要地球表层系统过程,是国际地学和生态学界近年来的热点领域。本文简要概述了国际土壤碳循环研究的进展和发展态势,着重讨论了中国稻田土壤固碳研究已获得的认识。提出碳循环研究越来越走向与生物学的结合,且越来越依赖于长期试验和观测。中国稻田土壤的固碳水平、潜力已有较丰富的认识和资料积累,在团聚体尺度上也开展了较多的固碳机理的研究,包括物理保护、化学结合、生物学的稳定等。无论是野外还是实验室的培养均表明稻田土壤碳矿化潜力较低,这与团聚体的物理保护有关外,还与稻田土壤中存在的碳的化学结合而稳定的机制有关;固碳与农田生态系统生产力和生态服务功能的耦合机制是当前稻田土壤固碳研究的中心内容,一些研究已经表明生物多样性可能是控制碳稳定和温室气体减排与生产力提高的关键因素。未来研究的重点是定量表征固碳中碳更新的关键环节,同时需要加强对作物-土壤微生物相互作用对碳输入、转化和固定的影响及机理的研究。中国稻田土壤固碳与农业发展意义值得进一步重视。  

不同施肥处理对红壤水稻土团聚体有机碳分布的影响

通过23年的长期田间定位试验观测,研究了施肥对红壤水稻土不同发生层团聚体组成、有机碳含量及有机碳库分布的影响.试验设不施肥（CK）、无机肥（NPK）、有机肥（猪粪＋紫云英）（OM）和无机肥与有机肥配施（NPKM）等4个处理.结果表明,＞3 mm团聚体含量随土层深度呈增加趋势,而其他粒径的团聚体含量则呈下降趋势.施肥处理有利于1～3 mm和0.25～1 mm团聚体含量增加.各处理中,各层同粒径团聚体有机碳含量从高到低的顺序为：A＞P＞W1、W2.不同粒径团聚体中有机碳含量有明显差异,除＜0.05 mm团聚体外,粒径愈细,有机碳含量愈高.1～3 mm和0.25～1 mm团聚体含量与全土有机碳含量呈显著正相关.不同施肥处理有机碳储量表现出NPKM＞OM＞NPK＞CK的趋势.同施肥处理同发生层不同粒径团聚体有机碳储量从高到低的顺序为：＞3 mm、1～3 mm、0.25～1 mm、0.05～0.25 mm和＜0.05 mm,且差异显著.施肥处理增加的新碳主要向1～3 mm、0.25～1 mm团聚体富集.  

红壤水稻土有机碳库的平衡值确定及固碳潜力分析

平衡状态时的土壤有机碳含量水平确定对于正确评价土壤的固碳潜力和制定合理的有机物质分配措施有重要意义。本文通过比较红壤典型地区不同时期水稻土有机碳含量变化、不同利用年限水稻土有机碳含量动态、以及有机碳输入输出量状况,分析红壤水稻土有机碳库的平衡值,进而估计较大区域内水稻土的固碳潜力。过去20余年来江西省余江县水稻土的有机碳含量总体呈上升趋势,但高产水稻土的有机碳含量稳定在18.5 g kg-1;水耕利用30 a,土壤有机碳含量达到19.0(±1.20)g kg-1,其后变化幅度很小;若使目前的较高形成量水平达到平衡,则土壤有机碳含量为19.2(±1.10)g kg-1。综合分析,在较高生产力水平条件下,红壤水稻土有机碳的平衡值为18~20 g kg-1,平均为19.0±1.0 g kg-1。过去20余年来,江西省余江县水稻土有机碳储量增加了6 955(±1 116)kg hm-2。据此计算我国亚热带地区水稻土过去20年固定大气CO2量555.1(±88.7)Tg,其作为碳汇的作用是相当明显的。目前仍有相当面积的水稻土其有机碳含量低于平衡水平,估计还可平均固碳5 150(±1 063)kg hm-2。据此,若保持现实较高生产力水平,则我国亚热带地区水稻土未来可新固定大气CO2量411.0(±84.7)Tg。  

秸秆还田和腐熟有机肥对水稻土培肥效果对比分析

为探讨秸秆还田对土壤肥力的影响,该文以18年的定位试验为基础,通过对直接施用秸秆、有机肥以及化肥、有机肥配施等6个处理小区的土壤进行采样,分析了秸秆还田同有机肥培肥方式对土壤理化性质、养分状况与作物产量等方面的影响,着重探讨了秸秆直接还田同传统的施用腐熟有机肥对土壤的培肥效果差异.结果表明直接施用作物秸秆同施用腐熟有机肥对土壤的培肥效果基本相同,均对土壤理化性质有很大的改善,同时可提高作物的产量,因此秸秆直接还田基本可以代替施用腐熟有机肥培肥土壤.  

长期不同施肥对太湖地区典型土壤酸化的影响

以太湖地区典型土壤黄泥土上26年的长期肥料定位试验为例,研究不同施肥处理对研究区耕作层土壤(0～15 cm)酸化特征及酸化速率的影响。试验采用裂区设计,主区为不施有机肥处理(C)和施有机肥处理(M),副区为不同无机肥及秸秆施用处理。研究结果显示,不同施肥处理对土壤pH和土壤酸碱缓冲容量有显著影响,增施有机肥的主区处理pH显著低于不施有机肥处理,但对应的土壤酸碱缓冲容量略有上升;副区单施尿素处理和尿素增施水稻秸秆处理pH较不施尿素对照分别下降了0.45、0.66个单位,酸碱缓冲容量分别下降1.52、0.95 mmol kg-1;各试验处理的酸化速率为H+0.61～1.74 kmol hm-2a-1,单施尿素处理高于不施尿素处理,而尿素增施有机肥或水稻秸秆的大于单施尿素处理,以尿素配施有机肥和水稻秸秆处理最高。相关分析表明,各处理土壤pH与外源氮输入量、土壤全氮及速效氮存在显著的依变关系。尿素对土壤的酸化影响与有机肥及水稻秸秆存在差异,前者在降低土壤pH的同时还导致土壤酸碱缓冲容量的降低,而增施有机肥及水稻秸秆处理土壤缓冲容量保持稳定甚至提升,但其各自对土壤酸化的具体贡献率等还需进一步研究。  

改良剂对镉污染酸性水稻土的修复效应与机理研究

为探明田间条件下施用石灰、钙镁磷肥、海泡石和腐殖酸等改良剂对Cd污染酸性水稻土的修复效应和作用机理, 通过在Cd污染区建立田间小区试验, 研究了改良剂单施和与石灰配施对Cd污染酸性水稻土中Cd作物有效性的影响。结果表明, 施用改良剂有效地改变了土壤中Cd的存在形态, 除腐殖酸外, 其他改良剂均使土壤酸提取态Cd不同程度地转化为可还原态Cd和残渣态Cd; 施用改良剂可使0.1 mol·L^-1 NaNO₃和 0.01 mol·L^-1CaCl₂提取态Cd 降低26%~97%, 降低效果为石灰+海泡石>海泡石>石灰+钙镁磷肥>钙镁磷肥>石灰>石灰+腐殖酸>腐殖酸; 改良剂使水稻地上部分的Cd吸收量降低6%~49%。试验结果还显示, 施用改良剂提高土壤pH是引起土壤中Cd作物有效性降低的主要原因之一。根据田间试验的结果, 海泡石可推荐作为Cd污染酸性水稻土的改良剂, 而腐殖酸则不宜使用。  

长期施用有机肥对稻田土壤重金属含量及其有效性的影响

以湖南省7个稻田长期定位试验为基础,分析了无肥对照(CK)、化肥(NPK)、中量有机肥 化肥(MOM)和高量有机肥 化肥(HOM)4个处理下0~20 cm土壤重金属Zn,Cu,Cd和Pb全量及其有效态含量的变化。结果表明:长期施用有机肥加大了稻田土壤受重金属污染的风险。仅施化肥对土壤Zn,Cu,Cd和Pb全量、有效态含量及活化率的影响均较小,而中、高量有机肥处理明显提高了土壤Zn,Cu,Cd的全量、有效态含量及活化率,只对土壤Pb的影响较小。且高量有机肥处理下其增幅最大,土壤Zn,Cu,Cd全量分别比对照增加了6.1%,18.7%和8.3%,有效态含量分别比对照增加了87.3%,65.8%和41.4%,活化率分别比对照增加了77.5%,32.0%和29.8%。有机肥的"激活"效应是导致土壤有效态重金属含量大幅提高的主要机制。各试验点土壤全Cd含量均大大超出了土壤环境质量二级标准(0.30 mg/kg),表明各试验点稻田土壤都存在着不同程度的Cd污染问题。  

长期不同施肥对太湖地区黄泥土总有机碳及颗粒态有机碳含量及深度分布的影响

研究了长期不同施肥处理(化肥与秸秆配施、化肥与猪粪配施、单施化肥和不施肥)下,水稻土总有机碳和颗粒态有机碳的深度变化。结果表明,总有机碳(TOC)和颗粒态有机碳(POC)的深度分布都符合幂函数方程(Y=aX^-b);不同的施肥处理主要影响耕层土壤的TOC和POC含量,POC分配比例在土壤深度上也有差异。其中,化肥与猪粪配施处理,由于有机物质的输入其TOC和POC含量显著高于其它3种处理;不施肥处理的POC含量显著高于单施化肥和秸秆配施化肥。并且,没有观察到耕层POC含量与不同小区的作物平均产量间的显著线性关系,这意味着土壤POC仅从含量来说,与作物生物量的输入并没有直接关系。而可能与施肥中的直接输入有较大关系。同时,POC含量与大团聚体颗粒组含量间的相关性不显著,说明不同施肥处理下POC的结构和性质可能发生了变异,导致其对大团聚体颗粒组形成及其稳定性的作用存在差异。可见,不同的施肥处理并没有改变TOC和POC的深度分布格局,只是改变了它们在耕层土壤的含量以及POC的分配比例。不同施肥处理下POC的结构性质及其稳定性的变化还有待于进一步的研究。  

长期施用绿肥对红壤稻田水稻产量和土壤养分的影响

对26年长期定位试验结果的统计分析表明,绿肥与化肥长期配合施用有利于水稻稳产增产,减少化肥的使用量,提高化肥氮、磷、钾养分的农学利用效率达60%以上.26年水稻平均产量以紫云英+猪粪(OM3)处理最高,比CK增产64.47%,比NPK处理增产6.86%,其化肥养分农学效率为16.33 kg/kg,比NPK处理高118.9%.绿肥与化肥长期配合施用土壤有机质、全氮和全磷均有所积累,积累的量与肥料施用量及有机肥种类有关,以紫云英+猪粪处理最优.土壤钾素均表现亏缺,土壤全钾和速效钾均低于试验前,亏缺幅度最小的是紫云英+稻草处理,其土壤全钾和速效钾分别比对照高4.28%和13.94%.通过对土壤有机质、全氮、全磷和全钾与水稻产量的相关性分析,其相关系数最高的为土壤全钾(r=0.808**),说明缺钾已成为限制红壤稻田高产的主要肥力因子.  

氮肥用量对太湖水稻田间氨挥发和氮素利用率的影响

Ammonia volatilization losses, nitrogen utilization efficiency, and rice yields in response to urea application to a rice field were investigated in Wangzhuang Town, Changshu City, Jiangsu Province, China. The N fertilizer treatments, applied in triplicate, were 0 （control）, 100, 200, 300, or 350 kg N ha^-1. After urea was applied to the surface water, a continuous airflow enclosure method was used to measure ammonia volatilization in the paddy field. Total N losses through ammonia volatilization generally increased with the N application rate, and the two higher N application rates （300 and 350 kg N ha^-1） showed a higher ratio of N lost through ammonia volatilization to applied N. Total ammonia loss by ammonia volatilization during the entire rice growth stage ranged from 9.0% to 16.7% of the applied N. Increasing the application rate generally decreased the ratio of N in the seed to N in the plant. For all N treatments, the nitrogen fertilizer utilization efficiency ranged from 30.9% to 45.9%. Surplus N with the highest N rate resulted in lodging of rice plants, a decreased rate of nitrogen fertilizer utilization, and reduced rice yields. Calculated from this experiment, the most economical N fertilizer application rate was 227 kg ha^-1 for the type of paddy soil in the Taihu Lake region. However, recommending an appropriate N fertilizer application rate such that the plant growth is enhanced and ammonia loss is reduced could improve the N utilization efficiency of rice.