摘 要:有機碳是土壤質(zhì)量與肥力的核心,直接影響著土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化過程,提升土壤有機碳是維持農(nóng)田土壤肥力的重要途徑?;谙嚓P(guān)調(diào)查研究,分析了寧夏農(nóng)田土壤有機碳及其腐殖質(zhì)碳組分的含量特征與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性,闡述了寧夏農(nóng)田有機碳提升研究需要揭示的機制問題,提出農(nóng)田土壤有機碳提升機理的研究方向,旨在為寧夏農(nóng)田土壤有機碳提升技術(shù)的不斷優(yōu)化提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:有機碳; 腐殖質(zhì)碳; 提升機制; 寧夏農(nóng)田土壤
中圖分類號:S153.6" " " " 文獻標識碼:A" " " 文章編號:1002-204X(2024)05-0044-06
doi:10.3969/j.issn.1002-204x.2024.05.007
A Study on Characteristics and Enhancement Mechanism of Organic Carbon
in Farmland Soils in Ningxia
Zhou Tao1, Guo Xinnian2, Li Baiyun3, Xu Zehua3, Xing Rundong2
(1.Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan, Ningxia 750002; 2.Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan, Ningxia 750002; 3.Horticultural Institute, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan, Ningxia 750002)
Abstract Organic carbon is the core of soil quality and fertility, and directly affects the change process of soil physical, chemical and biological properties. Improving soil organic carbon pool is an important way to maintain sustainable agricultural development. Based on the relevant investigation and research, the content characteristics of soil organic carbon and its humus carbon components in Ningxia farmland and the correlation between them and soil nutrients are analyzed, the mechanism issues that need to be revealed in the study of farmland organic carbon enhancement in Ningxia are expounded, and the research direction of farmland organic carbon enhancement mechanism is proposed, aiming to provide theoretical basis for the continuous optimization of farmland organic carbon enhancement technology in Ningxia.
Key words Organic carbon; Humus carbon; Enhancement mechanism; Farmland soils in Ningxia
土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫,儲量約為植被碳庫的3~4倍、大氣碳庫的2~3倍,其數(shù)量和質(zhì)量不僅是土壤肥力的核心要素,也是維系氣候變化和人類生存發(fā)展的關(guān)鍵要素[1]。目前,增加土壤有機碳庫含量和穩(wěn)定性成為維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及緩解全球氣候變化壓力的重要途徑受到國際社會廣泛認可[2]。土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化過程均受到土壤有機碳直接或間接的影響,提高土壤有機碳數(shù)量和質(zhì)量對于改善土壤質(zhì)量、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力有重要意義。農(nóng)田土壤固碳被認為是提高土壤肥力水平、保障糧食安全的重要舉措,而深入理解農(nóng)田土壤有機碳的形成、轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定等關(guān)鍵過程及其與土壤養(yǎng)分的協(xié)調(diào)關(guān)系是土壤肥力提升亟待解決的核心問題。
寧夏農(nóng)田土壤質(zhì)量與肥力提升關(guān)鍵技術(shù)主要依賴于外源有機物料(有機肥、秸稈等)的輸入,農(nóng)田土壤有機碳含量的變化主要取決于外源碳的添加與礦化;其中:外源有機物添加是一種低成本高效益的策略,有利于提高土壤有機碳庫容和改善土壤結(jié)構(gòu),受土壤理化性質(zhì)、有機物料性質(zhì)、田間管理措施等諸多因素影響,施用外源有機物后土壤的固碳過程較為復(fù)雜,其輸入與輸出的平衡過程需要深入分析。土壤活性有機碳作為土壤有機質(zhì)的活性部分,其含量及分布受施肥、耕作和秸稈還田等農(nóng)田管理措施的影響,在較短時期內(nèi)能夠表征土壤物質(zhì)循環(huán)特征、指示土壤肥力高低和評價土壤質(zhì)量好壞,對改善土壤結(jié)構(gòu)、維持土壤有機碳庫平衡具有重要作用。有機肥和秸稈等有機物是農(nóng)田土壤有機碳的主要初始來源,其轉(zhuǎn)化和賦存過程十分復(fù)雜,是在微生物的介導(dǎo)下,經(jīng)由復(fù)雜的腐解過程轉(zhuǎn)化為土壤有機碳而穩(wěn)定存在[3-4];微生物通過底物碳同化代謝過程,促進一系列(包括微生物殘留物等)有機物質(zhì)的形成并穩(wěn)定于土壤中[5-6]。農(nóng)田管理中有機碳的變化與團聚體穩(wěn)定性通常呈正相關(guān),土壤有機碳及其活性組分研究與其在土壤團聚體中的分配與固定研究相結(jié)合對于評價土壤有機碳穩(wěn)定性尤為重要。
寧夏農(nóng)田土壤有機碳含量低、團聚體發(fā)育不充分是土壤質(zhì)量及肥力較低的主要原因,農(nóng)田肥力平均等級為6.8[7],成為區(qū)域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要限制因素。近年來,寧夏單位面積的作物產(chǎn)量逐年上升,化學(xué)肥料用量也持續(xù)增長,土壤質(zhì)量與肥力在不同區(qū)域存在著較大差異。目前,寧夏土壤質(zhì)量提升主要通過實施秸稈還田、有機肥和土壤調(diào)理劑施用、綠肥培肥等綜合集成配套技術(shù),這些技術(shù)對于穩(wěn)定糧食產(chǎn)量發(fā)揮了一定的作用[8],但以有機肥/秸稈還田為主的技術(shù)措施尚存在諸多機理機制不清的問題?;诖?,本文利用《中國土系志(中西部卷)·寧夏卷》[9]及《寧夏耕地土壤與地力》[10]中農(nóng)田土壤有機碳數(shù)據(jù),總結(jié)寧夏農(nóng)田土壤有機碳及其腐殖質(zhì)碳含量現(xiàn)狀,分析了農(nóng)田有機碳提升研究需要揭示的機制問題,初步提出了今后寧夏農(nóng)田土壤有機碳提升機理機制基礎(chǔ)研究方向。
1 寧夏農(nóng)田土壤有機碳特征
1.1 寧夏農(nóng)田土壤有機碳含量
土壤有機碳含量是估算土壤碳儲量、評價土壤肥力和質(zhì)量的重要指標。目前,寧夏土壤有機碳含量變幅在1.72~23.66 g·kg-1,呈正態(tài)分布,平均含量為7.3 g·kg-1,變異系數(shù)為41.72%,屬于中等變異[10](表1)。土壤有機質(zhì)含量≥40.0 g·kg-1、30.0~39.9 g·kg-1、20.0~29.9 g·kg-1、10.0~19.9 g·kg-1、6.0~9.9 g·kg-1、<6.0 g·kg-1的分布頻率分別為1.6%、3.3%、6.5%、35.0%、30.1%、23.6%。寧夏北部引黃灌區(qū)、中部揚黃灌區(qū)和南部雨養(yǎng)區(qū)三大區(qū)域有機質(zhì)存在顯著差異,呈現(xiàn)自北向南先降低再升高的趨勢。北部引黃灌區(qū)土壤有機碳含量最高,平均為8.63 g·kg-1,變異系數(shù)為33.26%;其次是南部雨養(yǎng)區(qū),土壤有機碳含量平均為8.27 g·kg-1,變異系數(shù)為41.83%,屬于中等變異;中部揚黃灌區(qū)土壤有機碳含量最低,土壤有機碳含量平均為4.57 g·kg-1,變異系數(shù)為40.03%。
1.2 寧夏農(nóng)田主要土壤類型有機碳含量特征
如表2所示,按照土壤類型分析,寧夏農(nóng)田土壤有機碳含量最高的為灰褐土,平均含量為10.71 g·kg-1,變異系數(shù)達到34.91%,屬于中等變異;其次是灌淤土,土壤有機碳平均含量為9.35 g·kg-1,變異系數(shù)最小,為28.23%;面積最大的灰鈣土有機碳平均含量為5.10 g·kg-1,變異系數(shù)為41.66%;風沙土有機碳平均含量最低,為4.24 g·kg-1;新積土變異系數(shù)最強,達到了56.55%。
1.3 寧夏農(nóng)田土壤腐殖質(zhì)碳含量特征
土壤腐殖質(zhì)碳是外源有機物經(jīng)過微生物新陳代謝降解后合成的一類非均質(zhì)的呈黑色或褐色的有機高分子化合物,根據(jù)其在酸堿中的溶解度分為胡敏酸碳、富哩酸碳和胡敏素碳[11-12],作為有機質(zhì)的主體,是土壤肥力的標志,其中所含的多種疏水基、親水基和游離基官能團可促進土壤良好結(jié)構(gòu)的形成[13]。寧夏農(nóng)田土壤腐殖質(zhì)碳含量如圖1所示,寧夏農(nóng)田腐殖質(zhì)碳各組分含量(可提取腐殖酸碳、胡敏酸碳、富哩酸碳、胡敏素碳)范圍分別為 0.66~10.79 g·kg-1、0.1~2.6 g·kg-1、0.26~10.56 g·kg-1、0.67~8.00 g·kg-1,胡富比(胡敏酸碳∶富哩酸碳)平均值為0.54,說明寧夏農(nóng)田土壤整體腐殖物質(zhì)碳聚合程度較低。
土壤有機碳與腐殖質(zhì)碳組分的相關(guān)性分析如圖2所示,寧夏農(nóng)田土壤有機碳與腐殖質(zhì)碳均呈顯著正相關(guān)(P<0.01),其中土壤有機碳與可提取腐殖酸碳相關(guān)性最強(R2=0.599),其次與富哩酸碳含量也呈正相關(guān),但相關(guān)性相對較弱(R2=0.420),表明寧夏農(nóng)田土壤有機碳的活性較好。進一步分析腐殖質(zhì)碳與養(yǎng)分的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),腐殖質(zhì)碳組分與土壤全氮和全磷呈極顯著正相關(guān)(圖3)。
2 農(nóng)田有機碳提升研究需要揭示的機制問題
2.1 外源碳在土壤中的分解過程仍不明確
在農(nóng)田土壤質(zhì)量提升中,外源碳(有機肥、秸稈等)還田是對土壤有機碳補充的有效途徑。外源碳的物質(zhì)組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)特性是控制有機體被微生物利用分解速率的主要因素;其次是土壤微生物多樣性及其功能,微生物介導(dǎo)了外源碳在土壤中轉(zhuǎn)化和有機碳固持的整個過程。外源碳還田后,經(jīng)復(fù)雜的微生物和土壤物理化學(xué)轉(zhuǎn)化過程,以不均勻混合物狀態(tài)穩(wěn)定固定于土壤中[14]。外源碳向土壤有機碳的轉(zhuǎn)化過程是碳源在土壤—微生物系統(tǒng)的流動過程,而目前的研究均缺乏整體性、系統(tǒng)性,并存在諸多研究不足,外源碳轉(zhuǎn)化為土壤有機碳的過程仍難以破解“黑箱”理論,調(diào)控外源碳在土壤中固定過程的主導(dǎo)因素仍不明確。
2.2 外源碳向土壤有機碳轉(zhuǎn)化的微生物驅(qū)動機制仍不明確
促進農(nóng)田土壤有機碳累積是農(nóng)田土壤質(zhì)量提升的主要途徑,外源碳向土壤有機碳轉(zhuǎn)化的過程研究是當前的研究熱點[15]。外源碳(有機肥、秸稈等)輸入土壤后微生物對其的分解過程受土壤環(huán)境(pH值、水分、溫度等)因素的影響存在較大差異。寧夏土壤類型多樣,不同生態(tài)區(qū)土壤障礙因素存在差異,尤其在土壤鹽堿、干旱脅迫下,以及水旱輪作等栽培制度下,土壤微生物多樣性存在顯著差異,外源碳輸入后微生物對底物碳源的利用也存在較大差異,進而影響外源碳的分解及轉(zhuǎn)化。目前,外源碳向土壤有機碳關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化、貢獻及其微生物驅(qū)動機制尚不明確。
2.3 土壤團聚體對外源碳穩(wěn)定性的作用機制仍不明確
土壤團聚體是有機碳的主要載體,為有機碳的穩(wěn)定賦存提供物理屏障。外源碳的輸入對土壤團聚體的分布和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響,進而影響對外源碳的被保護能力[16],這一過程也很復(fù)雜,增加了相關(guān)研究的不確定性。以往研究已經(jīng)初步明確了外源碳在土壤不同團聚體中的分布規(guī)律,但結(jié)果只能表明外源碳在土壤中的分布狀況[17,19]。利用相關(guān)性分析有機碳被團聚物理保護的現(xiàn)象,對于不同團聚體中微生物群落對外源碳同化過程的研究比較缺乏,限制了對微生物調(diào)控下所產(chǎn)生的合成代謝產(chǎn)物受團聚體物理保護作用的強弱機制的認識。
2.4 外源碳調(diào)控土壤質(zhì)量的途徑仍然缺乏
近年來,在土壤質(zhì)量提升研究中重點關(guān)注有機肥替代化肥的效果,有機肥與化肥配合施用提高土壤肥力,但是外源碳在水旱輪作和長期連作種植制度下仍然存在一些問題,如秸稈腐解周期長、效率低,有機肥礦化慢等。此外,對于秸稈還田和有機肥輸入后在土壤團聚體中分布及轉(zhuǎn)化過程中微生物的驅(qū)動過程、機制認識上較缺乏,制約了對目前土壤質(zhì)量和肥力提升技術(shù)的進一步優(yōu)化;尤其是在寧夏大力推行農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)方式,繼續(xù)推進化肥減量化、秸稈還田、推廣有機肥替代化肥,構(gòu)建有機肥施用長效機制的大背景下,進一步挖掘耐低溫秸稈腐解菌種質(zhì)資源,優(yōu)化秸稈促腐還田技術(shù),通過外源微生物菌劑調(diào)控土壤功能微生物豐度,促進有機肥礦化,提高肥料養(yǎng)分的高效利用研究仍然缺乏。
3 農(nóng)田土壤有機碳提升機理研究
3.1 外源碳腐殖化過程及其微生物驅(qū)動機制研究
外源碳(有機肥、秸稈等)中的碳水化合物和蛋白質(zhì)類物質(zhì)被認為在土壤中最先被分解,而木質(zhì)素、具有芳香碳和烷基結(jié)構(gòu)的碳等一些難分解組分則在土壤中富集并在微生物的作用下轉(zhuǎn)化、縮合成難以分解的腐殖質(zhì)而長期存在[17]。通常情況下,利用木質(zhì)素、烷基碳或芳香碳等有機組分的多少來衡量土壤有機碳的穩(wěn)定性[18]。輸入土壤中外源碳的化學(xué)組成和土壤有機碳的分子結(jié)構(gòu)對酶和微生物的抗性,即有機碳的抗降解性,被認為是決定其在土壤中固存時間的主要因素。然而,近些年隨著13C同位素示蹤、微生物標志物、土壤酶學(xué)表征等技術(shù)的發(fā)展,對外源碳腐殖化提高土壤有機碳的思想提出了挑戰(zhàn)。相關(guān)研究表明,輸入土壤的外源碳在初期自身的抗降解才使其具有不同的降解速率,后期則無明顯差異,其在土壤中固定的長期穩(wěn)定性似乎并非受自身分子結(jié)構(gòu)影響[18-19]。另有學(xué)者提出,土壤微生物對土壤有機質(zhì)形成和轉(zhuǎn)化的作用包含體外修飾和體內(nèi)周轉(zhuǎn)2個過程[20],以植物殘體為主的外源碳輸入土壤后,經(jīng)過胞外酶的分解轉(zhuǎn)化,以植物源碳的形式賦存在土壤中,而易于被微生物利用的碳通過細胞利用后,經(jīng)過生物合成—細胞生長—細胞死亡的途徑轉(zhuǎn)化為微生物殘體碳源。由于土壤微生物周轉(zhuǎn)速率快、生長周期短,經(jīng)過周而復(fù)始的世代繁衍和同化過程導(dǎo)致不同活性和數(shù)量的微生物殘留物在土壤中迭代持續(xù)累積。因此,體內(nèi)周轉(zhuǎn)過程成為有機肥和秸稈等外源碳向土壤有機碳轉(zhuǎn)化、累積和穩(wěn)定的重要途徑。該理論對深入了解外源碳在土壤中的轉(zhuǎn)化及不同來源有機碳對土壤有機碳的相對貢獻提供了新的思路。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合寧夏農(nóng)田土壤有機碳特征開展不同來源碳對土壤有機碳的貢獻研究,闡明外源碳向土壤有機碳關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定機制,為寧夏農(nóng)田土壤有機碳提升技術(shù)的不斷優(yōu)化提供理論依據(jù)。
3.2 開展外源碳對土壤有機碳的轉(zhuǎn)化與激發(fā)效應(yīng)研究
有機肥含有多種低分子量化合物引起的激發(fā)效應(yīng)是土壤碳分解重要的驅(qū)動者。有機肥中的碳水化合物、氨基酸和有機酸等可溶物是土壤微生物代謝的有效碳源,能夠提高微生物活性,促進土壤有機碳礦化,可能抵消部分土壤固碳的作用而加速有機碳分解,也可能形成有機碳的累積從而產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[21]。利用作物和土壤有機碳13C/12C豐度的差別,可以區(qū)分CO2呼吸來源,能夠量化對土壤有機碳分解激發(fā)效應(yīng)的方向和強度[22]。土壤微生物生物量和磷脂脂肪酸組分對土壤微生物量的貢獻為9%~18%,可溶性有機碳的貢獻為2%~4%,表明外源碳(有機肥)被微生物快速利用,在稻田的研究中發(fā)現(xiàn)外源碳的輸入抑制了稻田土壤原有有機碳的礦化分解,表現(xiàn)出明顯的負激發(fā)效應(yīng)。在玉米田的研究發(fā)現(xiàn)根際沉積碳在土壤碳庫的主要去向為水溶性有機碳和微生物生物量碳同時促進了原有SOC的分解,表現(xiàn)顯著的正激發(fā)效應(yīng)[19]?;钚杂袡C碳單獨輸入SOC含量較低的土壤中會引發(fā)顯著的正激發(fā)效應(yīng),為土壤有機碳含量在調(diào)節(jié)土壤激發(fā)效應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用提供了有力證據(jù)[23]。開展外源碳向土壤有機碳轉(zhuǎn)化及產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)研究,是明確農(nóng)田土壤有機碳庫的平衡及其碳匯功能的重要前提。外源碳的轉(zhuǎn)化過程可能受土壤水分、養(yǎng)分等因素的影響而表現(xiàn)不同的激發(fā)效應(yīng)。因此,開展外源碳(有機肥)對土壤有機碳的激發(fā)效應(yīng)研究,對于深刻理解土壤有機碳庫的平衡穩(wěn)定過程及土壤質(zhì)量提升具有重要意義。
3.3 開展農(nóng)田土壤團聚體對碳固定和周轉(zhuǎn)的影響
團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位,也是土壤有機碳主要的賦存場所,團聚體通過自身的物理保護作用將有機碳穩(wěn)定起來,從而降低土壤微生物的分解,提高土壤有機碳的穩(wěn)定性。因此,土壤團聚體保護能力是固碳潛力的物理基礎(chǔ)[24]。對寧夏24個農(nóng)田土壤有機碳和團聚體的相關(guān)性進行了分析,土壤不同粒級團聚體保護有機碳的機制和效果有所不同。如圖4所示,土壤有機碳與砂粒呈顯著負相關(guān),大團聚體雖然能包裹更多的有機碳,但其更容易礦化損失;有機碳與粉粒和黏粒則呈正相關(guān),且有機碳與黏粒的相關(guān)性更高(R2=0.374),表明微團聚體中有機碳結(jié)構(gòu)不易遭到破壞且周轉(zhuǎn)周期更長[25]。目前普遍認為外源碳的輸入促進土壤大團聚體形成,降解難度更高、體積更小的有機碳則封存于黏粒和粉粒中[26]。
團聚體對有機碳的物理保護與團聚體的形成發(fā)育過程密切相關(guān),研究土壤團聚體的形成機理對了解其物理保護作用至關(guān)重要。外源碳輸入土壤后為團聚體的形成提供了膠結(jié)物質(zhì),提高了微生物活性,可促進土壤顆粒團聚化過程及其自身穩(wěn)定性。團聚體對有機碳的保護既包含對顆粒有機碳的包被,也包含團聚體中有機-無機復(fù)合體的結(jié)合。由此可見,土壤團聚體的物理保護和土壤礦物的化學(xué)保護是相輔相成的,還受制于微生物的接觸與分解,這也增加了團聚體物理保護機制研究的復(fù)雜性。因此,團聚體尺度下研究土壤中微生物對有機碳周轉(zhuǎn)的作用機理,對于進一步理解土壤對外源碳的固持機理具有重要意義。
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責任編輯:周慧