农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响.pdf-

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h t t p w w w a e d o r g c n E f f e c t s o f f a r m l a n d m a n a g e m e n t m e a s u r e s o n s o i l o r g a n i c c a r b o n t u r n o v e r a n d m i c r o o r g a n i s m s WANGYang 1 2 YANGDian lin 1 2 WANGLi li 1 2 ZHAOJian ning 1 2 LIUHong mei 1 2 TANBing chang 1 2 WANGHui 1 2 WANGMing liang 1 3 HUANGJin 4 ZHANGXiao fu 5 1 Agro EnvironmentalProtectionInstitute MinistryofAgricultureandRuralAffairs Tianjin300191 China 2 KeyLaboratoryofOrigin EnvironmentalPollutionPreventionandControl MinistryofAgricultureandRuralAffairs TianjinKeyLaboratoryofAgro environment andAgro productSafety Tianjin300191 China 3 CollegeofAgronomy4 TeaResearchInstitute ShiyanAcademyofAgriculturalSciences Shiyan442000 China 5 EconomicCropRe searchInstituteofShiyanCity Shiyan442714 China A b s t r a c t Farmlandmanagementmeasurescanhaveasignificantimpactonthecarboncycleoffarmlandecosystems whichcanaffectsoil fertility agriculturalproduction andfoodsecurity andmorebroadly climatechangeandenvironmentalhealth Inthispaper theeffectsof differentfarmlandmanagementmeasures fertilizationmethods plantingsystems andfarmingmodels onsoilorganiccarbon greenhouse gasemissions andsoilmicroorganismswerereviewed Theincreaseinsoilorganiccarbonwasfastestwhenorganicandinorganicfertilizer 收稿日期 2018 11 21 录用日期 2019 05 27 作者简介汪洋 1994 女山西晋城人硕士研究生主要从事生物多样性研究 E mail 1242455050 通信作者王丽丽 E mail lili0229ok 基金项目国家重点研发计划课题子课题 2016YFD0201009 中国农业科学院科技创新工程协同创新任务 CAAS XTCX2016015 天津市自然科学基金项目 18JCYBJC23000 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 2018 szjj wll P r o j e c t s u p p o r t e d SubprojectofNationalKeyRCooperativeInnovationProjectofAgriculturalScienceandTechnologyIn novationProgramofCAAS CAAS XTCX2016015 TheNaturalScienceFoundationofTianjin 18JCYBJC23000 SpecialFundforBasicSci entificResearchOperationofCentralPublicWelfareResearchInstitutes 2018 szjj wll 农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响汪洋 1 2 杨殿林 1 2 王丽丽 1 2 赵建宁 1 2 刘红梅 1 2 谭炳昌 1 2 王慧 1 2 王明亮 1 3 黄进 4 张小福 5 1 农业农村部环境保护科研监测所天津 300191 2 农业农村部产地环境污染防控重点实验室天津市农业环境与农产品安全重点实验室天津 300191 3 天津农学院农学与资源环境学院天津 300384 4 十堰市农业科学院果茶研究所湖北十堰 442000 5 十堰市经济作物研究所湖北十堰 442714 摘要农田管理措施对农田生态系统碳循环影响显著进而制约土壤肥力农业生产及粮食安全影响气候变化和环境健康本文综述了不同农田管理措施施肥方式种植制度耕作模式对农田土壤有机碳含碳温室气体排放和土壤微生物的影响发现有机肥与无机肥配施情景下土壤有机碳增速最快且施肥量与土壤碳库存在阈值效应有机肥的施用增加了土壤中CO2 排放通量磷钾两种肥料的施用与施用氮肥相比更能降低农田土壤排放温室气体产生的全球增温潜势提高有机肥和磷肥的施用比例有利于土壤中微生物丰富度的提高和微生物量碳的积累种植结构和种植密度均会影响农田土壤的碳储量种植结构对农田生态系统温室气体排放影响显著轮作和间作的种植模式与传统单一作物种植相比可有效减少农田含碳温室气体的排放同时轮作与连作相比更有利于土壤微生物多样性的增加保护性耕作措施有利于农田土壤固碳效率的提高可降低农田温室气体的排放且对微生物活性多样性群落结构以及碳源利用情况均有积极影响最后总结了国际主流碳模型在农田生态系统的应用概况并提出了未来发展展望关键词农田管理措施土壤碳储量含碳温室气体土壤微生物模型中图分类号 S153 6 S154 3 文献标志码 A 文章编号 2095 6819 2020 03 0340 13 d o i 10 13254 j jare 2018 0329 汪洋杨殿林王丽丽等农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响 J 农业资源与环境学报 2020 37 3 340 352 WANGYang YANGDian lin WANGLi li etal Effectsoffarmlandmanagementmeasuresonsoilorganiccarbonturnoverand microorganisms J JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment 2020 37 3 340 352 农业资源与环境学报2020 37 3 340 352 J o u r n a l o f A g r i c u l t u r a l R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t 开放科学OSID2020 年5 月 h t t p w w w a e d o r g c n 汪洋等农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响 wereapplied Moreover therewasathresholdeffectbetweentheamountoffertilizerappliedandthesoilcarboninventory Theapplication oforganicfertilizerincreasedtheCO2emissionsfluxinthesoil andtheapplicationofphosphorusandpotassiumfertilizersreducedthe globewarmingpotentialoffarmlandsoilmorethannitrogenfertilizer Increasingtheapplicationratiooforganicfertilizertophosphatefertil izerwasbeneficial leadingtoanincreaseinmicrobialrichnessinthesoilandaccumulationofmicrobialbiomasscarbon Plantingstruc tureandplantingdensitybothaffectedthecarbonstorageoffarmlandsoil andplantingstructurehadasignificantimpactongreenhouse gasemissionsinfarmlandecosystems Comparedwithtraditionalmonocultureplanting croprotationandintercroppingcouldeffectivelyre ducethegreenhousegasemissionsoffarmland Atthesametime croprotationwasmoreconducivetoincreasingsoilmicrobialdiversity thancontinuouscropping Conservationtillageimprovedtheefficiencyoffarmlandsoilcarbon reducedgreenhousegasemissions andhad apositiveimpactonmicrobialactivity diversity communitystructure andcarbonsourceutilization Finally wesummarizedtheapplica tionofinternationalmainstreamcarbonmodelstofarmlandecosystems andpresentfuturedevelopmentprospects K e y w o r d s farmmanagementmeasures soilcarbonreserves greenhousegases edaphon model 碳在地球表层的循环转化是地球重要的物质循环也是最基本的物质循环深入研究土壤碳素的内在转化模式及其相关微生物机理过程对于认识土壤碳素转化规律开展合理种植模式评估氮肥的环境效应以及减少温室气体排放等具有极其重要的科学和实践意义 1 随着气候变化的加剧农田生态系统温室气体 CO2 和CH4 排放已成为近年来科学关注的热点据 2006 年联合国粮农组织 FAO 统计全球种植业温室气体排放占人类造成的温室气体排放总量的30 是重要的温室气体排放源 2 京都议定书中提出经济发展过程中的碳排放可以通过生态系统碳库的增加得到补偿农田土壤碳库作为陆地生态系统中唯一可以短时间内受人为干扰和调节的碳库对于人为调控生态系统碳平衡具有重要的意义 3 农田生态系统土壤有机碳来源于原始植被残留农作物残体及人为施加的有机物料 4 其循环过程包括碳的固定储存和释放三部分农作物通过光合作用从大气碳库中吸收CO2 转化为有机碳储存于植物碳库通过凋落物和秸秆根茬进入土壤该过程中碳素从植物碳库进入土壤碳库其中涉及到的重要耕作模式为秸秆还田同时作物和土壤的呼吸作用又将碳素从植物碳库和土壤碳库释放至大气碳库特别要指出的是农田生态系统为人工生态系统所以人类活动对农田生态系统的碳循环产生了不可忽视的影响 5 农田土地利用和土壤管理方式的变化影响土壤结构及土壤有机碳的稳定机制 6 7 加强农田生态系统相关管理措施改善种植模式对土壤有机碳的固定及碳损失的减少具有重要意义土壤有机碳和水分在不同的耕作方式下通常会有很大的变化 8 这是因为耕作过程中表层的土壤充分混合干湿交替的频度和强度增加土壤的通气性及孔性变好 9 土壤水分及其温度状况均得到一定的改善 10 微生物活性提高 9 加速土壤有机碳的分解不同种植制度可以改变土壤微团聚体和黏粉粒有机碳占土壤总有机碳的比重土壤微团聚体和黏粉粒可以对有机碳产生物理和化学保护从而增加农田土壤有机碳的稳定性 11 农田作物种植密度的改变会影响根系的密度从而对土壤根际微生物的数量和活性产生影响进而影响微生物的碳利用率另外根茬的密度变化会影响作物向农田中输入有机质的含量从而影响土壤有机碳含量 12 研究不同种植模式对土壤理化性质及有机碳质量的影响有利于优化农田种植模式实现可持续发展集约化农业生产过程中氮肥的过量施用引发的环境负效应已经严重制约了农业的可持续发展这就对我国农业提高资源利用率增加土壤碳汇提出了新的要求 13 施肥方式的优化对满足这一要求具有重要意义土壤呼吸是大气CO2 排放的重要来源之一主要包括根系自养呼吸以及土壤微生物的异养呼吸其中施肥是影响土壤呼吸的重要因素 14 施肥影响农田土壤固碳的机制主要有以下两个方面一方面对作物的营养环境进行改善提高作物的光合效率进而使作物的生物量增加提高了植物残体对农田土壤的输入增加了土壤有机碳的输入另一方面施肥可以影响农田土壤中微生物的数量活性以及种群分布进而影响其呼吸作用对农田土壤碳排放产生影响 15 研究表明碳循环在水土气生相互作用下的重要纽带为土壤CO2 16 18 可降解有机碳在地下水中的溶解率很低化能自养型微生物为了满足自身所需的碳源需要吸收CO2 或无机碳且在土壤含碳量逐 341h t t p w w w a e d o r g c n 农业资源与环境学报第37 卷第3 期年变化中深层土壤碳库通过土壤剖面的侧向气体排泄主要是CO2 及降雨入渗排泄过程密切地与大气进行碳交换为较活跃的碳库 18 此外土壤微生物区系数量多样性及种群结构等在推动土壤有机碳周转及温室气体排放方面发挥着重要作用微生物的生物量能够在一定程度上反映土壤有机碳中具有活性的部分的含量 19 同时具有活性的碳的输入可以促进微生物的分解转化及残留物的稳定 20 因此研究不同农田管理措施背景下农田生态系统微生物动态对了解农田土壤碳周转动态具有重要意义由于碳周转过程对农田管理措施的反馈机制具有复杂性模型被认为是研究农田生态系统碳循环及碳周转过程最有效的手段 21 生态系统碳模型的产生是从20 世纪中期开始的 22 发展经历了三个阶段 20 世纪六七十年代的碳平衡模型 20 世纪80 年代的植被气候关系模型以及20 世纪90 年代至今生物地球化学循环模型文中笔者主要综述了国内外的主流碳模型以及国外碳模型在国内的应用现状并提出发展的不足和建议本文从不同的农田管理措施着手对不同农田管理措施下土壤有机碳周转及微生物变化的研究现状进行总结并提出了未来发展方向 1 农田管理措施对土壤碳储量的影响农田土壤有机碳库是陆地土壤碳库的重要组成部分 23 对农田土壤有机碳的研究已成为全球气候变化研究的重点 24 土壤有机碳是土壤肥力的核心物质农田种植管理措施通过影响土壤物理化学生物性质影响土壤有机碳的动态进而影响土壤肥力 25 26 1 1 施肥方式对农田土壤碳储量的影响土壤有机碳和作物产量表现为协同效应 27 尤其在作物产量和施肥水平较低的情况下施肥可以通过增加作物产量来提高土壤有机碳的含量 28 有研究证明适度的灌溉和施肥可以帮助改善非洲小型农业土壤的碳储量 29 这一结论在澳大利亚的牧场土壤中也得到证实 30 但过量使用氮肥可能降低土壤有机碳含量 31 也就是说土壤有机碳库与施氮量存在阈值效应不同的施肥方式对土壤碳库积累的影响存在差异黄晶等 32 研究表明无机肥配施有机肥的方式会促进农田生态系统的碳汇功能田康等 33 的研究结果显示不同施肥措施均能提高农田碳储量但是不同处理措施下土壤有机碳的增幅不同其中有机肥与无机肥配施土壤有机碳增速最快 0 38g kg 1 a 1 而单施磷肥增速最慢 0 032g kg 1 a 1 不同的碳组分变化对不同施肥处理的响应存在差异钟杨权威 34 的研究表明不同施肥处理下轻组分碳和重组分碳含量差异不明显但是可溶性碳在氮量较高的处理中显著降低且在深层土壤中变化比较明显而易氧化碳含量在施氮量90kg hm 2 处理达到峰值之后随施氮量的增加易氧化碳含量开始降低与可溶性碳相反该变化在浅层土壤中更为突出从以上论述得出不同的施肥方式影响了土壤碳库的积累速度对不同碳组分变化的影响也存在差异但施肥量与土壤碳库存在阈值效应应注意合理施肥过量施肥并不利于农田土壤碳库的积累 1 2 种植制度对农田土壤碳储量的影响种植制度主要包括种植方式和种植密度种植方式的改变是影响农田碳储量变化的一个重要因素 35 以绿洲土壤有机碳为例不同种植方式主要是对土壤总有机碳 TOC 活性有机碳 AOC 和惰性有机碳 NOC 产生影响 36 近年来绿洲区内大量种植制种玉米而普通玉米和小麦的种植比例大幅下降这种方式影响了农田碳储量 37 主要原因是与普通玉米相比当地制种玉米的秸秆主要运至养牛场或者饲养自家奶牛且制种玉米的种植密度比普通玉米低所以导致农田地上部分有机质归还量降低土壤中TOC AOC NOC 的含量随之降低 37 而相比小麦来讲虽然制种玉米地有机质的归还量变化不大但是玉米根茬归还到土壤后形成的土壤有机质高于小麦根茬所以土壤中TOC AOC NOC 的含量会相应升高 38 39 有研究发现随着种植密度的增加农田土壤碳素含量呈现先升高后降低的趋势如赵海超 40 以春玉米为例研究了种植密度对农田碳储量的影响发现低密度玉米种植有利于累积犁底层土壤有机碳而高密度玉米种植有利于耕层土壤碳素积累因此合理的种植方式和种植密度均有利于农田土壤碳储量的增加调整农田产业结构是增加农田碳储量的有效途径 1 3 耕作模式对农田土壤碳储量的影响 Lal 等 41 对全球碳固定进行了分析揭示了改变农田管理措施对土壤碳固定的影响并强调了免耕的影响有研究指出免耕有利于我国华北平原小麦玉米两熟农田生态系统土壤有机碳储量的累积 42 在美国的俄亥俄州免耕玉米地的有机碳含量比常规耕作高35 46 说明免耕的耕作模式提高了土壤有 3422020 年5 月 h t t p w w w a e d o r g c n 汪洋等农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响机碳含量是农田土壤固碳的重要措施 43 与其他农田管理措施相比秸秆还田是增加土壤有机碳最有效的措施 44 45 在印度等土壤有机碳水平较低的发展中国家表现更为明显 46 另外笔者重点关注了不同耕作模式对农田生态系统碳收支平衡的影响其中秸秆还田与否是影响农田生态系统成为碳源还是碳汇的重要因素 47 冬小麦夏玉米的农田生态系统在免耕秸秆覆盖的保护性耕作措施下比传统耕作模式碳排放减少168 78 kgC hm 2 提高了农田的固碳效率且免耕秸秆覆盖减少了机械投入增加了小麦玉米农田生态系统经济效益 48 因此免耕秸秆还田的保护性耕作模式是增加农田土壤碳储量的有效手段应该得到推广然而单一的耕作模式并不利于农田土壤的可持续发展对于不同的土壤和环境所适合的耕作模式不同目前农田土壤有机碳对耕作管理模式的相关研究还具有不确定性有待于进一步开展相关深入的研究以探索多种合理的耕作模式 2 农田管理措施对含碳温室气体排放的影响农田生态系统是温室气体重要的排放源 FAO 2014 报道指出来自农业源的温室气体排放已从 2001 年的47 亿tCO2 当量增加到2011 年的53 亿t 以0 6 亿t a 1 的速度在增加且来自种植业畜牧业等农业源的排放量还在持续增加早在2000 年 Schlesinger 等 49 就指出常规耕作会导致农田生态系统CO2 排放增加我国农业源温室气体总排放量为 158557 3 万tCO2 当量比1980 年增长52 0 50 以 2000 年为例其农业源排放量占全球总排放量的 17 51 对全球农业源温室气体贡献较高美国罗代尔研究所始于1981 年的一项长期研究结果表明有机农业具有较高的能源使用效率和经济效益常规农业比有机农业多排放40 的温室气体 52 基于农田温室气体排放持续增加的严峻性笔者着重从施肥方式种植制度耕作模式三个角度总结农田管理措施对农田温室气体的影响 2 1 施肥方式对农田含碳温室气体排放的影响我国华北平原太行山前冬小麦农田土壤是CO2 的排放源 53 而施肥和灌溉是引起各处理温室气体排放差异的主要原因且增施氮肥以及灌溉能够促进土壤CO2 的生成和排放 54 这一结论在伊朗的大豆实验中同样成立该试验表明施肥处理的大豆田CO2 排放水平高于非施肥处理 55 黄淮海平原小麦玉米轮作实验表明有机肥的施用可以增加土壤中CO2 的释放其原因是施加有机肥改善了土壤的理化性质 56 小麦玉米季的有机肥无机肥配合施用处理农田均表现为CO2 的汇 32 不同肥料的施加对温室气体影响不同有研究显示高P 和高K 浓度产量及其可用性与低CO2 产生率相关而高C 和高N 产量与高CH4 产生率有关较高的C K 和N K 与增长的CO2 排放量呈正相关而有效 P 和CH4 产量呈负相关平均来说沿海地区有效P 含量 pH 和盐分比内陆地区更高有效C P 和CO2 产生率较内陆地区低而且沿海稻田CH4 排放量比内陆稻田略低 57 另外有机肥已被证明能促进农业土壤中CH4 的吸收荷兰的一项研究显示通过堆肥改良获得了最优的温室气体平衡 58 该研究认为堆肥的营养成分并不十分丰富当作为单一肥料施用时可能会导致作物产量下降因此将堆肥与更富营养的有机改良剂污泥沼液结合使用可以在保持作物产量和减少温室气体排放之间进行权衡 58 所以应该适量提高磷钾两种肥料的施用而降低氮肥的施用以降低农田含碳温室气体的排放同时结合经济效益探究最佳施用比例减缓温室效应 2 2 种植制度对农田含碳温室气体排放的影响国内关于种植制度对农田含碳温室气体的影响研究主要集中在长江中下游的水田对旱地的研究还不成熟有待于进一步研究不同的种植制度下农田温室气体排放表现出明显的差异通过对不同种植制度的比较有利于选择最佳的种植模式减少当地农田温室气体的排放在实现经济效益的同时提高环境效益 59 62 展茗 59 在湖北开展的研究中通过设置三种稻作模式稻鸭复合种养 RD 间歇灌溉 RW 常规淹水灌溉 CK 研究了稻田温室气体碳排放的差异发现虽然RD RW 与CK 相比都能显著降低CH4 排放量但是 RW 降幅更大达到36 9 而RD 降低了19 95 但是 RW 模式的CO2 排放却比RD 和CK 增长了29 4 所以综合考虑认为稻鸭复合种养的模式更有利于减少该地区的温室气体排放江长胜 60 在川中丘陵区的研究中发现水稻种植本身会促进稻田CH4 的排放有水稻种植的冬灌田的 CH4 排放是无水稻种植的冬灌田的3 倍但是不同的种植制度可以减缓这一效应与常规冬灌田相比采 343h t t p w w w a e d o r g c n 农业资源与环境学报第37 卷第3 期用冬灌田强化栽培稻麦轮作和稻油轮作的种植方式均能降低稻田CH4 排放量其中稻油轮作降幅最大达到57 8 而美国的一项研究也证明轮作可以减少农田 CO2 的排放玉米大豆轮作与单独的大豆或者玉米连作相比能减少温室气体排放且能增加产量 61 改变传统作物布局有利于江汉平原地区稻田温室效应的降低新型种植模式的全球增温潜势 Globewarmingpotential GWP 均显著低于同条件下的传统模式西瓜玉米套作稻虾混作和薏苡单作模式夏季排放的CO2 CH4 产生的全球

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