培肥措施对旱地农田土壤CO2排放和碳库管理指数的影响

doi:10.11686/cyxb2020226

草业学报 ›› 2021, Vol. 30 ›› Issue (2): 32-45.DOI: 10.11686/cyxb2020226

培肥措施对旱地农田土壤CO₂排放和碳库管理指数的影响

王晓娇¹^,³(), 蔡立群¹^,²^,⁴(), 齐鹏¹^,²^,⁴(), 王雅芝¹, 陈晓龙¹, 武均¹^,²^,⁴, 张仁陟¹^,²^,⁴()

^1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070
^2.甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州 730070
^3.甘肃农业大学管理学院，甘肃兰州 730070
^4.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃兰州 730070

收稿日期:2020-05-21 修回日期:2020-07-29 出版日期:2021-02-20 发布日期:2021-01-19
通讯作者: 蔡立群,齐鹏,张仁陟
作者简介:zhangrz@gsau.edu.cn
gsauqip@163.com
E-mail：cailq@gsau.edu.cn
王晓娇（1980-），女，甘肃平凉人，讲师，在读博士。 E-mail： 42321964@qq.com
基金资助:
甘肃农业大学盛彤笙基金(GSAU-STS-1706);甘肃农业大学学科建设基金(GAU-XKJS-2018-205);青年研究生导师扶持基金(GAU-QNDS-201704)

Effects of alternative fertilizer options on soil CO₂ emission and carbon pool management index in a dryland soil

Xiao-jiao WANG¹^,³(), Li-qun CAI¹^,²^,⁴(), Peng QI¹^,²^,⁴(), Ya-zhi Wang¹, Xiao-long CHEN¹, Jun Wu¹^,²^,⁴, Ren-zhi ZHANG¹^,²^,⁴()

^1.College of Resources and Environmental Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^2.Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^3.College of Management，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^4.Gansu Engineering Research Center for Agriculture Water-saving，Lanzhou 730070，China

Received:2020-05-21 Revised:2020-07-29 Online:2021-02-20 Published:2021-01-19
Contact: Li-qun CAI,Peng QI,Ren-zhi ZHANG

摘要/Abstract

摘要：

阐明长期有机物料施肥下土壤CO₂排放特征及其影响机制以及碳库管理指数对黄土高原旱作农业区固碳减排及施肥模式选择的影响尤为重要。基于2012年设置在陇中黄土高原旱作区的长期定位试验，通过不施肥（CK）、氮肥（NF）、有机肥（OM）、秸秆（ST）、有机肥结合无机肥（OMNF）5个处理，测定并计算了2018年不同施肥措施下全年土壤CO₂排放、作物碳排放效率和碳库管理指数的变化，并运用结构方程模型分析了0~30 cm土壤温度、水分、微生物量碳氮、易氧化有机碳、蔗糖酶、脲酶与土壤CO₂排放速率的关系。结果表明：1）与不施肥相比，秸秆、有机结合无机肥和有机肥处理使生育期土壤CO₂排放平均速率提高了42.72%、30.82%和29.79%，秸秆、有机肥处理分别使生育期土壤CO₂排放量显著提高36.35%、32.45%（P<0.05），有机结合无机肥处理使碳排放效率显著降低41.10%（P<0.05）；2）有机物料处理均能显著提高0~5 cm土层易氧化有机碳、微生物量碳氮、蔗糖酶活性和碳库管理指数，相比不施肥和氮肥处理，有机结合无机肥处理分别使0~30 cm土壤碳库管理指数提高127.41%，99.33%（P<0.05）；3）结构方程模型表明，环境因子对土壤CO₂排放速率的总解释度为53%，对土壤CO₂排放速率总效应较大的影响因素包括土壤温度（2.36）、微生物量碳（1.59）和土壤水分（1.18），且均间接地影响着土壤CO₂排放速率，土壤温度促进了微生物量碳和蔗糖酶活性的提高，微生物量碳促进了微生物量氮和易氧化有机碳的增加。综合来看，有机结合无机肥处理可以提升土壤碳库管理指数，保持微生物活性，增加作物产量，降低土壤碳排放效率，是陇中黄土高原旱作农业区比较适宜的农田培肥措施。

关键词: 旱地土壤, CO₂排放, 作物碳排放效率, 碳库管理指数, 培肥措施

Abstract:

In 2015， the Ministry of Agriculture in China announced a ‘zero increase action plan’ for national fertilizer use， to be implemented by 2020， with the aim of reducing the environmental costs associated with food production. This ‘zero increase’ plan highlights the need to adopt reasonable fertilizer policies with organic materials to alleviate the environmental problems （e.g.， global warming， air pollution， and eutrophication）. Hence， this research aimed to clarify the influence of various fertilization options on soil CO₂ emission and carbon pool management index under different fertilization options. Collection of such data is an essential component of research on carbon sequestration and carbon emission reduction and is also necessary to identify best fertilization practice in unirrigated farming on the Loess Plateau. A long-term field experiment with five fertilization treatments in the Longzhong Loess Plateau was set up in 2012. Fertilization treatments included no fertilizer （CK）， nitrogen fertilizer （NF）， organic fertilizer （OM）， straw （ST）， and organic fertilizer combined with inorganic fertilizer （OMNF）. The annual soil CO₂ emissions， crop carbon emission efficiency （CEE） and carbon pool management index （CPMI） were analyzed in 2018， and the relationships between relevant factors ［soil temperature， moisture content， microbial biomass carbon and nitrogen （MBC， MBN）， readily oxidizable organic carbon （ROOC）， urease and invertase for the soil depth of 0-30 cm］ and soil CO₂ flux were determined by the structural equation model （SEM）. It was found that： 1） Compared with CK， ST， OMNF and OM treatments increased the soil CO₂ flux by 42.72%， 30.82% and 29.79%， respectively， while ST and OM treatments increased the soil CO₂ emission by 36.35%， 32.45%（P<0.05）， respectively， and OMNF reduced carbon emission efficiency by 41.10% （P<0.05）. 2） The OM treatment significantly increased the soil ROOC， MBC， MBN， invertase activity and CPMI in the 0-5 cm soil layer. Compared with CK and NF， the OMNF treatment significantly increased the soil CPMI （0-30 cm） by 127.41% and 99.33% （P<0.05）， respectively. 3） SEM showed that the environmental factors explained in total 53% of soil CO₂ flux， and the factors that had the largest cumulative effect were soil temperature （2.36）， microbial biomass carbon （1.59） and soil moisture content （1.18）. These three factors also indirectly affected soil CO₂ flux. Higher soil temperature promoted increased MBC and invertase activity， and increased MBC further enhanced the rate of change of MBN and ROOC. Overall， OMNF was found to be a sustainable and effective management practice to improve CPMI， maintain microbial activity， increase crop yield， and at the same time also reduce CEE in dryland farming on the Loess Plateau.

Key words: dry land soil, CO₂ emission, crop carbon emission efficiency, carbon pool management index, fertilization options

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图/表 7

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62	Chen J， Luo Y Q， Garcia P， et al. Differential responses of carbon-degrading enzymes activities to warming： Implications for soil respiration. Global Change Biology， 2018， 24（10）： 4816-4826.
63	Chen J， Lars E， Groenigen K T V， et al. Soil carbon loss with warming： New evidence from carbon-degrading enzymes running title： Enzyme activity and soil C with warming. Global Change Biology， 2020， 26（4）： 1944-1952.
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处理 Treatments	籽粒产量 Grain yield （kg·hm^-2）	土壤CO₂-C排放量Carbon emission （CE, kg C·hm^-2）			全年CEE Annual carbon emission efficiency
处理 Treatments	籽粒产量 Grain yield （kg·hm^-2）	生育期Growing period	休闲期Non-growing period	全年Year	全年CEE Annual carbon emission efficiency
CK	4382.32±428.18c	4505.41±471.55c	1911.74±86.22a	6417.14±507.28c	1.46±0.86a
NF	11017.54±885.65a	5966.94±776.66b	2034.76±120.79a	8001.70±548.89b	0.73±0.56b
OM	6281.99±485.22b	6292.70±693.68a	2207.19±209.52a	8499.89±919.94a	1.35±0.14a
ST	5931.64±827.06bc	6332.46±399.71a	2417.15±899.43a	8749.62±834.11a	1.49±0.18a
OMNF	9695.02±973.22a	5941.44±766.57b	2236.04±67.78a	8177.48±820.31ab	0.86±0.18b

处理 Treatments	籽粒产量 Grain yield （kg·hm^-2）	土壤CO₂-C排放量Carbon emission （CE, kg C·hm^-2）			全年CEE Annual carbon emission efficiency
处理 Treatments	籽粒产量 Grain yield （kg·hm^-2）	生育期Growing period	休闲期Non-growing period	全年Year	全年CEE Annual carbon emission efficiency
CK	4382.32±428.18c	4505.41±471.55c	1911.74±86.22a	6417.14±507.28c	1.46±0.86a
NF	11017.54±885.65a	5966.94±776.66b	2034.76±120.79a	8001.70±548.89b	0.73±0.56b
OM	6281.99±485.22b	6292.70±693.68a	2207.19±209.52a	8499.89±919.94a	1.35±0.14a
ST	5931.64±827.06bc	6332.46±399.71a	2417.15±899.43a	8749.62±834.11a	1.49±0.18a
OMNF	9695.02±973.22a	5941.44±766.57b	2236.04±67.78a	8177.48±820.31ab	0.86±0.18b

土层 Soil layer (cm)	处理 Treatment	碳库活度 A	碳库活度指数 AI	碳库指数 CPI	碳库管理指数 CPMI （%）	土壤碳素效率 SCE （%）
0~5	ST	0.39a	1.78a	1.25a	223.07a	27.90a
	OM	0.38a	1.75a	1.21a	212.08a	27.53b
	OMNF	0.40a	1.84a	1.16b	212.61a	28.57b
	NF	0.32b	1.49b	1.15b	171.77b	24.46c
	CK	0.22c	1.00c	1.00c	100.00c	16.40d
5~10	ST	0.38a	1.83ab	1.19a	217.33a	27.35a
	OM	0.38a	1.84a	1.16a	217.18a	27.55a
	OMNF	0.39a	1.91a	1.14a	217.53a	28.24a
	NF	0.29b	1.39b	1.13a	157.49b	22.28b
	CK	0.21c	1.00c	1.00b	100.00c	17.10c
10~30	ST	0.38a	1.91a	1.24a	236.36b	27.05b
	OM	0.38a	1.95a	1.21ab	235.76b	27.68b
	OMNF	0.45a	2.28a	1.19bc	271.08a	30.91a
	NF	0.20b	1.01b	1.18cd	117.69c	16.36c
	CK	0.20b	1.00b	1.00d	100.00c	16.40c
0~30	ST	0.37a	1.87a	1.17a	218.14b	27.24b
	OM	0.38a	1.90a	1.19a	225.30a	27.64a
	OMNF	0.43a	2.13a	1.07a	227.41a	29.98a
	NF	0.23b	1.15b	1.11a	128.08c	18.85c
	CK	0.20b	1.00b	1.00b	100.00d	16.77d

土层 Soil layer (cm)	处理 Treatment	碳库活度 A	碳库活度指数 AI	碳库指数 CPI	碳库管理指数 CPMI （%）	土壤碳素效率 SCE （%）
0~5	ST	0.39a	1.78a	1.25a	223.07a	27.90a
	OM	0.38a	1.75a	1.21a	212.08a	27.53b
	OMNF	0.40a	1.84a	1.16b	212.61a	28.57b
	NF	0.32b	1.49b	1.15b	171.77b	24.46c
	CK	0.22c	1.00c	1.00c	100.00c	16.40d
5~10	ST	0.38a	1.83ab	1.19a	217.33a	27.35a
	OM	0.38a	1.84a	1.16a	217.18a	27.55a
	OMNF	0.39a	1.91a	1.14a	217.53a	28.24a
	NF	0.29b	1.39b	1.13a	157.49b	22.28b
	CK	0.21c	1.00c	1.00b	100.00c	17.10c
10~30	ST	0.38a	1.91a	1.24a	236.36b	27.05b
	OM	0.38a	1.95a	1.21ab	235.76b	27.68b
	OMNF	0.45a	2.28a	1.19bc	271.08a	30.91a
	NF	0.20b	1.01b	1.18cd	117.69c	16.36c
	CK	0.20b	1.00b	1.00d	100.00c	16.40c
0~30	ST	0.37a	1.87a	1.17a	218.14b	27.24b
	OM	0.38a	1.90a	1.19a	225.30a	27.64a
	OMNF	0.43a	2.13a	1.07a	227.41a	29.98a
	NF	0.23b	1.15b	1.11a	128.08c	18.85c
	CK	0.20b	1.00b	1.00b	100.00d	16.77d

[1]	齐鹏, 王晓娇, 姚一铭, 陈晓龙, 武均, 蔡立群. 不同耕作方法和施氮量对旱作农田土壤CO₂排放及碳平衡的影响[J]. 草业学报, 2021, 30(1): 96-106.
[2]	刘红梅, 张海芳, 赵建宁, 王慧, 秦洁, 杨殿林, 张乃芹. 氮添加对贝加尔针茅草原土壤活性有机碳和碳库管理指数的影响[J]. 草业学报, 2020, 29(8): 18-26.
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培肥措施对旱地农田土壤CO₂排放和碳库管理指数的影响

Effects of alternative fertilizer options on soil CO₂ emission and carbon pool management index in a dryland soil

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图/表 7

参考文献 65

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