小麦-玉米-大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,探讨农田生态系统的土壤呼吸与碳平衡对于科学评价陆地生态系统在全球变化下的源汇效应具有重要意义。基于中国科学院海伦农业生态实验站的长期定位试验,对不同施肥处理下黑土小麦-玉米-大豆轮作体系2005—2007年的作物固碳量与土壤CO2排放通量进行了观测,并对该轮作体系下黑土农田生态系统的碳平衡状况进行了估算。结果表明:在小麦-玉米-大豆轮作体系中,作物固碳量的高低表现为:玉米>大豆>小麦,平均值分别为6 513 kg(C).hm-2、4 025 kg(C).hm-2和3 655kg(C).hm-2。从作物生长季土壤CO2排放总量来看,3种作物以大豆农田生态系统的土壤CO2排放总量最高,平均值达4 062 kg(C).hm-2;其次为玉米,为3 813 kg(C).hm-2;而小麦最低,为2 326 kg(C).hm-2。3种作物轮作下NEP(净生态系统生产力)均为正值,表明黑土农田土壤-作物系统为大气CO2的"汇",不同作物系统的碳汇强度表现为玉米>小麦>大豆,三者的平均值分别为3 215 kg(C).hm-2、1 643 kg(C).hm-2和512 kg(C).hm-2。长期均衡施用氮、磷、钾化肥或氮、磷、钾化肥配施有机肥后,小麦、玉米和大豆农田生态系统的固碳量和土壤CO2排放总量均明显增加,并在氮、磷、钾配施有机肥处理下达到最高。不同的施肥管理措施将改变土壤-植物系统作为大气CO2"汇"的程度,总体表现为化肥均衡施用下NEP值较高,而化肥与有机肥配施下农田生态系统的NEP值较低。     

不同土地利用与施肥管理下黑土团聚体颗粒有机碳分配变化

土地利用和土壤管理方式的变化强烈影响土壤结构及土壤有机碳的稳定机制。基于长期定位试验,通过分析土壤团聚体粒级及碳分布,以揭示和探讨不同土地利用和施肥管理下东北黑土团聚体颗粒有机碳分配特征及其稳定性机制。通过分析>0.25mm团聚体的变化,草地植被恢复和农田有机培肥团聚体稳定性显著提高。所有处理团聚体碳的分布趋势均表现为:>0.25mm团聚体>微团聚体>粉粘粒。草地粗颗粒有机碳总量和细颗粒有机碳总量均显著高于裸地和无肥处理(p<0.05),表明自然植被恢复可有效提高物理保护颗粒有机碳含量。农田有机培肥明显增加粗颗粒有机质(p<0.05),但并没有提高细颗粒有机质的量。物理保护颗粒有机碳占土壤总碳的比例为10.1%～18.6%,平均约15%。平均重量直径与粗、细颗粒有机碳的相关性达极显著水平(p<0.001),特别是与>2mm团聚体内各颗粒有机质组分碳的相关性更强(r≥0.9,p<0.001)。长期植被恢复和增施有机肥不仅可提高土壤碳库储量,并增强了土壤结构稳定性及土壤组分有机碳的物理性保护。     

土地利用变化与长期施肥对黑土有机碳密度的影响

土壤管理方式影响土壤碳库储量,进而影响土壤的源汇功能。该研究通过测定草地(GL)、裸地(BL)、农田无肥(NF)、化肥(NP)和化肥配施有机肥(NPM)处理的有机碳含量和土壤容重,估算了不同土地利用和施肥管理方式下的土壤有机碳密度的变化及农田的固碳潜力。结果表明,土壤有机碳含量表层最高而且变化较大,向下逐渐降低且变化较小。对于不同植被覆盖的3个处理,草地0-20cm土层土壤有机碳含量比裸地和无肥分别高出20.6%和16.4%。对于不同施肥管理方式,化肥有机肥配施土壤有机碳含量比无肥和化肥分别高出25.4%和15.5%,所有处理有机碳含量在160-200cm土层没有显著差异。0-40cm土层及0-100cm土体有机碳密度的变化趋势是NPMGLNPNFBL;40cm以下有机碳储量无规律性变化,表现出较大的变异性,这可能与土壤本身的空间异质性有关。草地100cm土体有机碳储量比裸地和无肥分别增加6.8%和5.7%,裸地和无肥无显著差异;化肥加有机肥100cm土体有机碳储量比化肥和无肥分别增加10.4%和5.9%。经估算,松嫩平原黑土区0-100cm土体有机碳库储量约为1.35Pg,农田有机培肥后碳库储量可达到0.96Pg,其固碳潜力约为0.05Pg。0-100cm土体有机碳密度与0-20cm土层有机碳含量及有机碳密度呈极显著正相关(r=0.99;r=0.97,P0.01),表明土壤表层有机碳含量及密度对0-100cm土壤有机碳库具有决定作用。     

作物连作与自然恢复下黑土密度组分中碳、氮分布特征

本文以海伦农田生态系统国家野外科学观测站长期定位试验的黑土为研究对象, 通过对不同作物连作(玉米、大豆、小麦)和自然恢复(草地、裸地)下土壤及其密度分组中有机碳、氮含量的测定, 比较分析了土壤总有机碳、全氮以及密度组分碳、氮分布的变化特征。结果表明不同作物连作下土壤总有机碳的含量差异不显著。0~10 cm和10~20 cm土层农田土壤游离态轻组有机碳含量具有显著差异(P<0.05)。大豆连作的农田土壤游离态轻组有机碳主要分布在0~10 cm土层, 而小麦连作的土壤游离态轻组有机碳主要分布在10~20 cm土层。不同作物连作下土壤闭蓄态轻组有机碳含量差异不显著。不同组分中氮素具有与碳相似的分布特征。游离态轻组与闭蓄态轻组C/N比值之间呈显著负相关(P<0.05)。草地与农田、裸地相比显著提高了土壤总有机碳和全氮的含量。草地土壤游离态轻组、闭蓄态轻组和重组有机碳含量显著高于农田和裸地。作物连作和自然恢复导致土壤碳、氮的重新分配, 改变了土壤碳、氮的赋存特征。