长期施肥对黑土固碳能力和有机碳库及其组分的影响研究

中国与联合国开发计划署（UNDP）绿色发展方案之

“中国东北黑土区应对气候变化、提高黑土可持续生产力、保障粮食安全示范”项目长期施肥对黑土固碳能力和有机碳库及其组分

的影响研究

课题任务书

1. 背景

农田作为受人类活动影响最为强烈的陆地生态系统之一，在大气CO2固定方面具有巨大的潜力。农田土壤有机碳贮量大约为140~170 Pg C，我国土壤的总有机碳库的最近估计接近80~90 Pg。就人为活动影响最显著和活跃的表层土壤碳库来说，全国总计38~39 Pg，农业土壤约占5 Pg。就碳密度来说，我国土壤总体上低于世界平均值，远低于欧洲国家。从土壤有机碳的储存和固定潜力来说，我国农业系统看来也是脆弱的系统。因此，农业土壤固碳与碳库演变成为20世纪90年代以来全球变化和粮食安全研究的热点问题。

农田土壤有机碳的含量和组成不仅反映了土壤有机质含量水平，而且还与农田的可持续利用密切相关。人类的耕种活动经常会造成农田土壤有机碳含量的降低。主要原因是耕作和种植作物可导致土壤温度、湿度及空气状况的变化，有机物料输入的减少，以及造成土壤侵蚀。我国农业发张过程中耕层土壤碳库也损失了约2 Pg 以上，耕地有机碳密度已低于世界平均水平30%，农业能否有效固碳成为国际社会对我国农业环境安全的担忧。全国63个监测点的化肥长期试验表明，1984~1994年期间土壤有机碳含量呈波动稳定状态，长期施用有机肥条件下土壤有机碳含量均升高。平均来看，有机质含量提高0.1%，作物的稳产性提高10%~20%。

土壤有机碳（或土壤有机质）是土壤肥力的重要指标，是土壤质量和功能的核心。但是，土壤有机碳的含量不能很好地反映土壤质量的变化，它只是一个矿化分解和合成的平衡结果，不能反映转化速率等[8-10]。土壤有机碳由于其化学组成

的非均一性而构成不同的有机碳库组分，不同组分其分解速率或活性不同，对土壤管理措施的反应差异也很大。正是基于土壤不同有机碳库中的碳在本质特性上的差异，以及寻找快速判断人为因素对土壤质量影响指标的需求，不同组分有机碳库的研究成为当前土壤碳库和土壤质量研究方面的热点，因为它们更能反映土壤质量的变化和固碳机理，它们在指示土壤质量的变化时比总有机碳(TOC)更灵敏，能更准确、更实际地反映土壤性质的变化。

根据不同的方法可将土壤有机碳分为轻组有机碳和重组有机碳（重液分离法）、易氧化有机碳和难氧化有机碳（KMnO4氧化法）。土壤轻组有机质占土壤有机质总量的2%~18%，是土壤活性有机质的重要表征之一。由于轻组有机质的成分较易于降解和没有土壤矿物的保护，其周转速率远大于土壤有机质整体。据报道，农作土壤中，耕作管理措施是影响轻重组土壤有机碳比例最主要的因素。有研究者认为施粪肥和牧草既能增加土壤轻组有机质的含量，又能增加其在土壤总有机质中的百分比；施氮肥只能影响轻组有机质的碳氮比。相关研究认为化肥也可以增加土壤轻组有机质的含量。

2. 目标

黑土做为重要资源，其肥力退化直接威胁全国的粮食安全问题。长期定位试验是全面了解影响农田生态系统和土地生产力的各种因子及相互作用的重要场所，能够系统地研究土壤肥力演变和肥效变化规律；同时长期轮作与施肥定位试验具有准确可靠的数据积累，提供信息量大，为农业持续发展提供了科学决策依据。在不同施肥处理条件下黑土固碳能力、有机碳库及组分的研究至今尚未报道。因此，本研究在长期施肥条件下，通过采集土样和保存土样有机碳的测定，分析黑土区农田土壤有机碳库的变化特征，揭示不同施肥措施对黑土质量和固碳的影响机制；对土壤有机碳组分进行测定，阐明长期定位施肥条件下土壤有机碳组分的影响，科学评价长期不同施肥对黑土有机碳库的影响。

3. 关键活动

本项目将充分利用相关部门的资源，结合项目目标，开展以下活动：

（1）国内外长期定位试验相关资料搜集

（2）课题研究方案制定

（3）黑土长期定位试验历年土壤样品收集

（4）开展课题研究

（5）通过课题研究科学评价长期施肥对黑土有机碳库的影响

4. 项目内容

主要研究内容包括以下三个方面：

（1）长期施肥对黑土有机碳含量的影响

测定历史土壤样品的有机碳含量，分析长期不同施肥农田土壤总有机碳含量特征，揭示土壤有机碳含量的变化规律。

（2）长期施肥黑土土壤有机碳贮量研究

测定0-100cm土层（间隔20cm）的TOC含量和土壤容重，计算不同施肥条件下1m土层内的有机碳贮量，分析其在土壤剖面的分布特征及施肥措施的影响，提出黑土土壤有机碳固存潜力。

（3）长期施肥条件下黑土有机碳组分的变化

以长期定位试验不同施肥处理下的土壤样品为基础，测定土壤有机碳组分含量，分析各组分碳库（轻组有机碳和重组有机碳）的数量，在施肥尺度上，阐明不同施肥处理对土壤有机碳组分的影响，揭示土壤有机碳组成与施肥处理之间的关系。

5. 项目预期产出

5.1 理论价值

黑土做为重要资源，其肥力退化直接威胁全国的粮食安全问题。本研究在长期施肥条件下，通过土壤有机碳的测定，分析黑土区农田土壤有机碳库的变化特征，揭示不同施肥措施对黑土质量和固碳的影响机制；有助于科学评价长期不同施肥对黑土有机碳库的影响。研究成果对于评价黑土有机碳变化，明确不同施肥措施的固碳效应和潜力均具有重要意义。同时，为气候变化条件下研究黑土固碳潜力提供理论依据。

5.2 预期成果

根据课题的研究成果，提出长期不同施肥处理下土壤有机碳储量及其不同组分的变化规律；发表学术论文2-3篇。

5.3 应用前景

本项目的研究成果将为长期施肥对黑土有机碳库的影响研究提供重要的参考和依据。

6. 项目执行计划

本项目期为3年

（1）2010.07-2011.06 查阅相关文献，进一步完善研究内容与试验方案收集历年

土壤样品，测定土壤有机碳含量。

（2）2011.07--2012.08 采集土壤样品，测定1m土层内（间隔20 cm）土壤有机碳

含量，用环刀法测定对应土层的土壤容重。计算不同施肥处

理下1m土层有机碳贮量。

（3）2012.09-2012.12 对采集的耕层（0-20cm）黑土有机碳组分进行分离和提取

（轻组有机碳、重组有机碳和腐殖质）。

（4）2013.01-2013.06 分析测试获得的所有数据资料，揭示不同施肥处理的固碳效

应，提出长期施肥黑土有机碳含量变化规律。项目总结。7. 经费预算（美元）

本课题研究经费控制在2.9万美元以内，经费来自中国东北黑土区应对气候变