不同施氮水平对小麦-玉米轮作地土壤碳动态的影响及其调控机制

More and more nitrogen (N) fertilizers are used in agriculture to meet the food needs of growing population. Nitrogen fertilization would affect the soil carbon storage and effluxes in croplands. In North China, over N fertilization occurred frequently in winter wheat-maize (C3-C4) rotation with impacts on soil carbon fluxes (soil respiration). It is critical to set an appropriate N fertilization in this rotation system to balance increases of yields and soil carbon emission. In this study, using natural abundance of 13C in plants and soil organic matter caused by different fractionation of carbon isotopes between C3 and C4 plants, we would quantify the contributions of different plants (in C3-C4 rotation) to soil organic carbon (SOC) under 5 different levels of N fertilization. In addition, based on the determination of labile and recalcitrant carbon compositions in SOC, we would explore the key factors affecting responses of soil respiration and its components as well as the mechanisms in the wheat-maize rotation to N fertilization. The results will provide necessary and fundamental data for crop production, and agricultural model development related to C and N cycle.

农业生产中往往以加大氮肥的投入来应对人口增长所带来的粮食增产需求，而氮肥输入的增加将引起农田土壤碳库及碳排放的变化。以冬小麦-夏玉米为代表的C3-C4粮食轮作在我国华北平原极为常见。此种轮作模式下采用何种强度的氮肥添加，在使粮食增产的同时又能减少土壤的碳排放是这一地区实现粮食绿色增产的关键问题。本项研究将利用C3和C4植物对13C的不同分馏作用所造成的13C自然丰度的差异，估算不同处理条件下轮作系统中前后茬作物对土壤有机碳的相对贡献。测定5种氮肥梯度下不同耕作方式（小麦、玉米单茬连作与小麦-玉米轮作）土壤有机碳及其组分（易分解和难分解组分）的δ13C，阐明冬小麦-夏玉米轮作系统中影响土壤呼吸及其组分的关键因素及其机理，为这一地区确定合理的氮肥施用强度，以及为农业生态系统碳、氮循环相关模型提供必要的基础数据。

我国作为氮肥的使用大国，在农业生产中往往以加大氮肥的投入来应对人口增长所带来的粮食增产需求。氮肥输入的增加将引发农田土壤碳库及碳排放的变化。目前不同区域由于轮作模式的差异，不同强度氮肥对于生物量累积以及土壤碳排放的影响结果往往并不一致。本研究选择小麦-水稻、小麦-玉米两种常见的轮作模式，在三种不同的氮添加强度条件下，探究作物生物量、土壤碳库以及土壤碳排放对不同氮肥施用强度的响应，以期为研究区域农业生产确定合理的氮肥添加量以及回答氮肥施用所引发的环境问题提供数据支持。经过两轮轮作实验，外源氮的输入促进了植物的光合固定，体现在植物地上地下生物量的增加。从总的生物量上，小麦-玉米轮作方式中，小麦的生物量积累要显著高于小麦-水稻轮作地的小麦生物量。就不同轮作方式总的单位面积生物量累积来看，因水稻生物量较高，小麦-水稻轮作方式总的生物量积累超出了小麦-玉米轮作方式。此外，由于土壤可利用氮输入的增加，植物通过体内运输向根系投入的有机质比例呈下降的趋势，根冠比下降4%-20%。土壤碳、氮过程发生显著的改变，氮添加促进了土壤碳排放的增加（20%-61%），但由作物所固定增加的碳输入，可以一定程度的抵销掉土壤排放的碳所带来的环境影响。尽管微生物生物量在氮添加的情况下有所下降，但底物的增加，导致其呼吸总量仍然呈现上升的趋势。对于本研究区的小麦-水稻轮作模式，施氮显著促进了N2O的排放，但对CH4排放的影响不明显。此外，无论大田实验还是全球的数据整合都发现氮肥的添加对于土壤pH的影响，因此，未来确定以什么形式使用氮肥，维持土壤功能可持续性是该区域所面临的重要问题。