秸秆还田下土壤有机碳储量的养分限制

GRADUATION

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文章信息

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【文章信息】

原名：Nutrient limitation of soil organic carbon stocks under straw return

中文名：秸秆还田下土壤有机碳储量的养分限制

期刊：Soil Biology and Biochemistry

2022影响因子：9.7

在线发表时间：2024-2

通讯作者：Fei Mo ；Yuncheng Liao

E-mail：[e-mail] (F. Mo), [e-mail] (Y. Liao)

第一单位：College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi, 712100, China

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摘  要

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作者通过构建全国尺度的数据集，探讨秸秆还田下施肥对SOC储量（0-20cm）的影响，并确定中国旱地和水田系统中施肥的主要驱动因素和途径。研究结果表明，秸秆还田对有机碳的固存存在普遍的养分限制。施肥对土壤有机碳储量的影响在不同的养分富集类型和不同的种植制度下差异很大，平衡施肥(即氮磷钾)下土壤碳增加更多，且旱地比稻田更多。在旱地，施肥产生的SOC固碳与地下生物量的增加呈正相关。然而，在水田中，由于土壤酸化和初始SOC的共同限制，施肥后生物量的提高并没有转化为SOC积累的增加。

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研  究  背  景

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局部尺度的研究发现，SOC的积累从根本上受到土壤主要营养元素供应的限制，但我们仍然缺乏对秸秆还田在广阔地域范围内对SOC储量的施肥效应的定量了解。施用化肥通常会增加植物对土壤的碳输入，从而增加SOC的储存。然而，在有的地区秸秆还田的情况下，养分富集对SOC积累的影响为负或无。这些相互矛盾的结果可能主要归因于不同的秸秆还田和施肥制度。化学施肥可通过改变土壤的物理、生物和化学性质来影响SOC积累和秸秆-碳矿化，最终导致SOC储量的净变化。然而，这些驱动因素在调节施肥效应中的作用及其相对重要性尚未在广泛的空间尺度上得到确定。本研究通过收集中国21个省40块旱地和51块水田的化肥-秸秆还田交互试验中与SOC和作物生产力相关的数据，确定化肥对秸秆还田条件下SOC 储量的影响。该研究的科学问题为：（1）秸秆还田条件下土壤有机碳储量对化学施肥响应的总体趋势；（2）在不同种植系统中，气候、土壤和管理相关因素对施肥引起的有机碳储量变化的相对重要性；（3）在秸秆还田条件下，化学施肥改变有机碳储量的途径在旱地和水田系统之间异同点。

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研究方案

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1. 数据集

该数据集通过汇编已发表的同行评审文章(截至2022年1月)的数据构建，这些文章研究了秸秆还田条件下施肥对中国主要农田(包括小麦、玉米和稻田)作物生产力和有机碳储量(0-20cm土壤深度)的影响。经过数据清理，我们在数据集中获得了91项符合条件的独立研究，这些研究广泛分布在中国的农业地区(图1a)。

2. 数据汇编和描述

对于每个符合条件的研究，从表格和文本收集SOC数据和作物生物量数据（经济产量、茎部和根系生物量）。并从文献中提取了其他解释变量（气候、农作管理和土壤特性）以探究影响响应变量的驱动因素。符合条件的研究覆盖了具有代表性的国家主要农田 (图1a)。

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研究结果

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1. 总体结论

在全国范围内，与清除秸秆（即CK）相比，秸秆还田提高了SOC储量和固碳率，分别为1.74 Mg C ha^-1和0.27 Mg C ha^-1 y^-1（表1和图1）。然而，施肥和秸秆还田相结合与单秸秆还田相比，SOC储量和固存率平均分别增加了0.81 Mg C ha^-1和 0.12 Mg C ha^-1 y^-1。与单秸秆还田相比，秸秆还田加施肥显著提高了作物产量2.4 t ha^-1。施肥带来的地上和地下生产力的增加分别达到1.6和0.3 Mg C ha^-1 y^-1。

2. 施肥对作物生产力、有机碳储量和固存率的影响

在整个数据集中，超过99%的观测结果显示施肥对作物生产力有积极影响，平均效应大小为0.48（图2a）。施肥引起的作物生产力变化因肥料组合和作物类型的不同而有很大差异，施用钾肥的效应最小，而全养分组合（氮磷钾）的效应最大。与水稻相比，玉米和小麦的效应更高。与秸秆还田和单施肥相比，秸秆还田和施肥相结合的效应最大（图3a）。

分别有81%和82%以上的观测结果表明，施肥对SOC储量和固碳率有积极影响（图2b和c）。St+NPK对SOC储量的正效应最大。此外，施肥对SOC储量的影响在不同作物类型之间存在显著差异，玉米的正效应最大，而水稻的正效应最小。此外，与单施肥相比，单秸秆还田对旱地SOC储存的影响较小，但对水田的影响则相反（图3b）

3. 秸秆还田条件下各变量对施肥效果的相对贡献

总体而言，耕作制度和氮施用率是预测施肥对作物产量和SOC储存影响的最主要因素。在作物产量方面，秸秆还田量、实验持续时间、SOC和MAP被认为是影响施肥效果的重要非决定因素（图 4a）。土壤pH值、STN、MAT 和MAP 是施肥对SOC储存影响的主导因素（图 4c）。在SOC储量方面，MAP、STN、粘土、N input和秸秆还田量是影响旱地系统施肥效果的最重要因素；而 SOCi、土壤pH值、SAK、P input、K input和实验持续时间则是水田施肥效果的主要决定因素（图 4d）。

4. 施肥效应与气候、土壤、管理相关因子的二元关系

总的来说，施肥对作物产量的影响与气候、土壤、耕作制度和作物类型密切相关（图 5a）。在旱地，施肥效应分别与MAP、试验持续时间、氮施用量显著正相关，与STN负相关。在水田中，施肥效应与氮施用率和钾施用率显著正相关，与MAT、试验持续时间和秸秆投入量呈负相关。实验持续时间越长，施肥效应对小麦和玉米产量的影响越大，但在水稻中没有观察到这一趋势。施肥对SOC储存的影响受到气候、土壤、秸秆等变量有关，也因耕作制度和作物类型而异（图 5b）。

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结论与启示

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该研究探讨了秸秆还田条件下SOC储量变化对施用化肥的响应。总体而言，施肥显著提高了秸秆还田下的SOC储量。有机碳储量变动在不同肥料类型和种植系统（即旱地和水田）之间存在很大差异，在平衡施肥（即氮磷钾）条件下，土壤碳增量增加，旱地碳增量高于水田。在施肥条件下，引起旱地SOC储量变化的主要影响因素为年平均降水量、氮的可利用性、粘土含量和秸秆还田量。在水田中，初始土壤SOC、磷和钾的可利用性、pH 值以及秸秆还田的持续时间是影响施肥效果的决定因素。同时本研究进一步阐明了化肥施用改变土壤有机碳储量的不同途径，即旱地的生产力途径和水田的分解途径。

声  明

Statement

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