[00116247]保护性耕作下旱作农田土壤有机质矿化与积累特性研究

1.课题来源与背景 该项目受甘肃省科学技术厅“甘肃省自然科学基金”（145RJZA204）资助。 土壤碳库是全球碳循环的核心组成部分,循环期短且易受到人类活动影响,其中有机碳库贮量约在1500 Pg,分别是大气碳库、生物碳库的3.3、4.5倍。潘根兴研究表明,土壤有机碳库的动态变化与大气中二氧化碳含量联系密切。Foley等人发现,土壤自身呼吸作用可释放约占陆地生态系统与大气系统碳交换总量的66%的二氧化碳。Raich指出平均周转期仅为22年的土壤碳库与地质碳库、海洋碳库相比在减缓大气二氧化碳浓度方面优势明显。曹志洪等人发现,土壤碳库的微小波动会直接刺激到农作物的产量。Rozhkov VA研究结果表明土壤参与了不同生态系统间的相互作用,影响了内陆河与海洋碳循环的通量。综上所述,土壤有机碳的固持、土壤碳库贮量对估算全球系统碳收支意义重大。 2.研究目的与意义 陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑地区受人类活动影响严重,生态环境脆弱且干旱少雨,春季、夏季和整个冬季表现尤为突出,多年平均降水量少于400 mm。该区典型的传统耕作模式,对耕层土壤过度翻动,扰乱了土壤自身修复能力,土壤中微生物群落结构、活性、数量均发生改变,削弱了土壤团聚体对有机质的物理保护作用,致使土壤有机质分解进程加快;同时作物秸秆大量移出或焚烧,固定于作物秸秆的养分转化为氧化物释放至大气,大量生物资源浪费,导致耕地质量日趋恶化。大量研究表明,物料还田可较大程度的提升土壤有机碳的含量及土壤肥力。王应等发现,秸秆翻压还田能够形成土壤微生物活动层,提高了物料中有机形态养分的分解速率。王成己等人研究结果表明,施用有机物料有利于土壤表层有机碳的积累,同时延长了有效固碳年限。 3.主要论点与论据 添加玉米秸秆、猪粪、堆肥均能不同程度提升土壤固碳能力。有机物料对土壤固碳贡献率大小呈堆肥＞秸秆＞猪粪。添加三种物料土壤总有机碳、微生物量碳含量较之对照处理均有提升,堆肥还田使土壤总有机碳含量增加137.72%,微生物量碳含量增加174.33%。物料碳素残留率呈堆肥＞秸秆＞猪粪,这与有机物料的组成有关。 在该试验物料添加量范围内,较之对照处理,不同有机物料添加量一致促进土壤有机碳的积累,积累水平随有机物料添加量的增加而增加。物料碳素分解率受添加量影响很小。同一物料不同添加量下,物料碳素分解率无显著差异。 4.创建与创新 a.针对黄土高原旱作农田土壤有机质提升项目实施中存在的有机物料分解及转化速度慢,甚至难以腐解,因传统耕作引起的团粒结构破坏,有机质分解加剧等实际问题,探讨土壤有机质各组分的数量及质量与微生物之间的关系,对土壤碳循环过程作更深入研究是本项目的创新处之一。 b.研究土壤有机碳组分变化及动态,需要长期的监测数据及供试材料,甘肃农业大学定西旱农综合试验站近10 年的研究积累,以此为基础开展此项研究是本项目的一个重要特点。 5.社会经济效益,存在的问题 我国每年产生各类农作物秸秆约6.5亿吨,畜禽粪便产生量约20亿吨,是我国工业废弃物产生量的3.2倍。甘肃省是种植、养殖大省,农作物秸秆、畜禽粪便相对更多。目前农作物秸秆被有效利用率低,随处堆放或就地焚烧,严重污染了环境;特别是随着种植、养殖业不断发展以及农业生产水平和农民生活水平的提高,对原来用作燃料和肥料的农业废弃物的利用越来越少,农业废弃物越来越多。农业废弃物含有大量的有机物,据测定,很多农作物的副产品的化学能不亚于其主产品。因此,农业废弃物利用蕴藏着广阔的发展前景。目前,我国提倡化肥减量化,增加有机肥的使用,促进农业废弃物的循环利用。提倡种--养循环,农业废弃物再利用,不仅可以降低农业投入成本,还可以提高地力,降低保护环境成本。本项目可为该地区推广种--养循环提供适当思路、相应基础数据。 土壤有机碳及其组分的变化受多重因素影响,耕作措施在改变土壤物理性状的同时也改变了微生物的生境,进而改变有机碳及其组分的周转与固存。该项目采用轮作模式,前茬作物的不同导致还田秸秆种类与当季作物种类的不同,此差异又将如何影响微生物区系的改变,进而影响温室气体排放与有机碳的周转。因此,在未来研究中还需要以土壤有机碳、温室气体排放与微生物间的协同变化机制为着力点,更为深入的揭示不同耕作措施下土壤碳库的变化特征。 项目所涉及保护性耕作措施中包含秸秆还田处理,外源有机物质的添加会引起不同耕作措施下土壤有机质含量的差异,然而通过温室气体的排放又会引起部分损耗。因此后续研究中还需监测还田有机碳总量,并结合土壤有机碳储量与温室气体损耗的碳量察明土壤碳库的“盈或亏”。 6.历年获奖情况 该项目所资助论文“不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征”获得中国精品科技期刊顶尖学术论文证书（领跑者5000）