长期施肥下黄土旱塬农田土壤有机碳演变特征及碳库组分差异

农田土壤固碳和碳库演变机制是全球变化与粮食安全研究的热点问题。本研究以黄土旱塬黑垆土设置的长期肥料试验（1979-）为基础，通过氧化性分组、比重分组、颗粒大小分组、土壤团聚体分级等有机碳分组技术，分析耕层土壤易氧化有机碳、轻组和重组有机碳、颗粒有机碳及团聚体有机碳含量，评价旱地农田土壤各组分有机碳库的差异，提出施肥（化肥、农肥、秸秆）措施对土壤有机碳的提升效应。从活性土壤碳库和微团聚体水平上，分析旱地农田土壤有机碳库的稳定与存在方式及施肥措施的影响，提出比总有机碳更能反映土壤肥力和土壤质量的有机碳库指标。根据土壤有机氮与有机碳同步矿化原则，通过作物地上部和地下根系含氮量及土壤全氮测定，估算土壤有机碳矿化率，建立Jenny C模型，并结合多年实测有机碳数据，揭示总有机碳演变规律及施肥措施的固碳效应。研究结果将为西北黄土高原旱地农田土壤固碳技术选择及地力培育提供科学依据。

本研究以黄土旱塬黑垆土长期试验(1979-)为基础，分析了旱地农田土壤有机碳(SOC)的变化特征、长期施肥对碳库不同组分的影响，建立了Jenny C模型。经过30多年耕作与施肥管理，旱地农田总C投入从不施肥（CK）的8.1 t Chm-2增加到秸秆还田（SNP）的69.4 t Chm-2，耕层SOC贮量施肥之间相差1.82倍，增施有机肥（M、MNP）SOC为21.76—24.04 t C hm-2，SNP为16.01 t C hm-2；土壤SOC贮量随C输入量的增加而提高，有机碳固定率25.8%—36.05%，每投入1 t C hm-2中9.2%的C以SOC形式固定在土壤中，秸秆还田只有8.2%。长期不施肥仅靠根茬投入维持旱地农田稳定的SOC水平，无土壤固碳作用，其余所有肥料处理SOC均随试验年限延长而增加，SNP、M、MNP处理固碳速率依次为0.246、0.326、0.361 t Chm-2 a-1。长期施肥不仅提高了土壤有机碳的积累，而且显著提高有机碳活性及颗粒有机碳含量，施肥增加了轻组土壤所占比重，提高轻组和重组有机碳含量，但轻组土壤中有机碳增加幅度更大；MNP和SNP处理砂粒SOC是CK的3.85和2.94倍、N的2.41和1.84倍，MNP较CK、NP总土SOC只增加了32.50%、18.10%，砂粒SOC却提高了285.12%、105.74%，砂粒级有机碳对施肥最敏感。施肥提高了活性有机碳与矿物结合态有机碳的比率，MNP、M、SNP处理其比率达到了18.62%、16.24%、14.41%，单施N、NP仅9.11%、9.99%，施肥提高了有机碳活性，改善了土壤有机碳质量。不施肥大团聚体（＞250µm）SOC是微团聚体（<53µm）的9.14倍，施肥提高到15.83-23.84倍，并增加了大团聚体中土壤C/N比，尽管团聚体含碳量随团聚体粒径增加而增加，但微团聚体有机碳含量增加对土壤固碳速率的提高显著高于大团聚体，对土壤碳的固定与物理保护起着重要作用。长期施肥加快了土壤有机C的矿化，提高了矿化率k，施肥之间k值为1.45%-3.76%，土壤SOC变化符合Jenny C 模型。因此，长期增施有机肥、秸秆还田提高了旱地土壤碳固定与积累，是环境友好型土壤培肥措施。