RothC模型在我国北方农田作物残体提升土壤有机碳中的应用

发布时间：2020-07-23 13:12

【摘要】：作物残体(包括秸秆和根茬)是农田土壤有机碳和土壤养分的重要来源之一,可供给植物生长和微生物活动所需的多种矿质元素,同时可有效提高土壤有机碳含量,改善土壤结构和土壤肥力。然而,不同作物残体的物料性质(木质素、氮素含量等)具有差异性,其还田后的固碳效率及其对土壤有机碳库的贡献存在较大差异,目前缺乏系统的定量研究。本研究采用应用广泛且参数简单的RothC模型,以我国长期定位试验站的基本资料为基础,经短期腐解试验(2012.11-2013.11)和郑州潮土区长期试验(1990-2008)数据的验证,获得RothC模型的修订参数DPM/RPM值,并将其应用于我国东北黑土区五个典型长期定位试验站(黑河、海伦、哈尔滨、公主岭、沈阳),明确了我国北方农田作物残体投入土壤后对提升土壤有机碳的贡献,探究不同作物残体在不同施肥处理下固碳效率的差异性,为农田土壤固碳增汇措施提供理论依据;同时情景分析了仅根茬还田和增施有机物料两个情境下土壤有机碳的变化趋势,为东北黑土退化认知和黑土地保护提供理论支撑。主要结果和结论如下:(1)不同作物残体的物料性质具有差异性,决定了模型中不同作物残体的DPM/RPM值的差异性。基于物料腐解实验数据,采用逆向模拟技术调整RothC模型,当小麦根系、小麦秸秆、玉米根系和玉米秸秆的DPM/RPM值调整为0.89、3.04、4.35和3.25时,模型的模拟值和实测值均方根误差RMSE均小于10%(3.7%-6.0%),相对误差RE均控制在±5%(-0.2%-2.7%),说明改进后的RothC模型具有一定的适用性,可从有机物料种类出发,探究不同作物残体对有机碳的贡献。(2)改进后的RothC模型较好的模拟了郑州潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统不施肥处理、平衡施肥、秸秆还田处理下土壤有机碳的变化(RMSE为4.86%-7.89%,RE为-5.23%-2.20%)。无论是不施肥、平衡施肥还是秸秆还田处理,小麦根系对新形成SOC的贡献率(50%-71%)大于玉米根系和玉米秸秆对新形成SOC贡献率(22%-40%)。源自小麦的SOC占新形成SOC的比例均分别大于源自小麦的碳投入占总碳投入的比例,而源自玉米的投入及其对新形成SOC的贡献则反之。小麦根系的固碳效率(15.5%-17.5%)大于玉米根系和玉米秸秆的固碳效率(10.8%-11.4%)。因此,在潮土区根茬还田更有利于提升土壤有机碳含量。(3)改进后的RothC模型在东北地区黑河、海伦、哈尔滨、公主岭及沈阳五个长期实验站检验参数RMSE和RE分别在12%和±7%的范围内,表明各处理的模拟效果基本可行,除公主岭NPKS处理外(RMSE=26%,RE=-23%),可能原因是公主岭试验站为覆盖还田,实际进入土壤中的秸秆远少于理论计算值,因而高估了NPKS处理下有机碳的变化。东北地区CK、化肥及化肥配施有机肥处理下,不同作物根茬对土壤SOC的提升表现为:玉米根茬小麦根茬大豆根茬;固碳效率表现为:小麦根茬大豆根茬玉米根茬;秸秆还田处理下,不同作物残体对土壤SOC的提升表现为:玉米秸秆小麦秸秆大豆秸秆;固碳效率表现为:小麦根茬大豆根茬玉米根茬玉米秸秆小麦秸秆大豆秸秆。(4)改进后的RothC模型可用来模拟东北黑土区开垦(仅根茬还田)以来土壤有机碳的变化。东北黑土区在开垦初始,土壤SOC含量处于较高水平(120.72 t hm~(-2)-174.68 t hm~(-2)),至20世纪80年代(80年代前主要为根茬还田)土壤SOC含量下降52.6%-75.6%,为30.06 thm~(-2)-57.2t hm~(-2)。从空间尺度看,土壤SOC下降幅度依次为:黑河海伦哈尔滨公主岭;从时间尺度看,开垦前10年土壤SOC年下降迅速,随着时间延长,土壤下降速率趋于平缓。同时,有机质含量较高的地区(黑河、海伦)土壤开垦时间还较为年轻,在现有有机物料资源下(有机肥或秸秆还田),土壤SOC含量还是处于下降或基本持平状态;有机质含量较低的地区(哈尔滨、公主岭)已经开垦成熟,在等量外源碳投入时土壤SOC含量呈现上升趋势。增施有机物料在有机质含量高的黑土区能减缓其SOC下降速度。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S153.6
【图文】：

界面图,界面,有机肥,秸秆

农田中作物残体主要来源于秸秆和根系。作物根系和秸秆的碳投入如下：其中为作物残株残留在土壤中的比例；为地下生物量和地上生物量的比例，或者比；和分别为作物籽粒产量和秸秆产量(g m 2)。参考 Zhang et al.（2010）的方根据中国有机肥料养分志（NCTAS,1994），小麦、玉米地上生物量的平均碳含量分别.399 g C g 1（烘干基）和 0.444 g C g 1（烘干基）。具体方法详见姜桂英等文章（2013）。（2）有机肥碳投入的计算：其中，为实测有机肥的有机碳含量（g kg-1）；W%为有机肥含水量；Y 为使用有机肥的鲜（kg ha-1）2 RothC 模型简介选用 RothC 模型模拟不同区域土壤有机碳的演变。RothC 模型所需参数简单，且容易获得，过广泛验证，在一定条件下模拟效果较好。模型详细介绍参见第一章第三节。图 2.1 以下为C 模型的初始界面。

【参考文献】