施用氮肥的酸化作用对石灰性土壤无机碳损失及二氧化碳释放的影响

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氮肥作为农业系统最重要的生产资料,在农业生产中具有举足轻重作用。然而近年来研究发现,氮肥施用也带来一系列环境问题,其中施用铵态氮肥发生的硝化作用导致土壤酸化是比较突出的问题之一。石灰性土壤是我国的主要农业土壤,土壤无机碳(SIC)是干旱及半干旱及半湿润易旱区土壤碳库的主要形态之一,在缓解土壤酸化方面有重要作用。施用氮肥导致的土壤酸化是否会使土壤无机碳发生溶解进而释放二氧化碳,尚少见报道。在不同无机碳含量的土壤上,不同氮肥种类对土壤无机碳的溶解是否存在差异?近40多年我国氮肥用量显著增加,对我国土壤无机碳库储量有何影响?在未来50年、100年持续氮肥施用又可能对土壤无机碳储量产生怎样的影响?是值得关注的问题。因此,本研究采用室内培养试验研究了氮肥施用方式对石灰性土壤二氧化碳释放的影响;通过土柱模拟试验,研究了不同无机碳含量土壤长期施用不同种类氮肥对土壤无机碳损失的影响;最后基于全国第二次土壤普查数据,计算1980-2019年氮肥施用对土壤无机碳损失的影响,并估算了2050、2100年土壤无机碳的损失情况。获得以下结果:(1)采用室内密闭培养方法,比较等量氮肥不同施氮方式对石灰性土壤pH及CO2释放的影响,包括氮肥分次施用(一次全施(N1)、分两次施用(N2)和分三次施用(N3))。结果表明:与不施氮处理相比,氮肥一次(N1)及分次施用处理(N2、N3)较不施氮处理其土壤pH分别下降0.40、0.38和0.32个单位,且氮肥一次施用处理(N1)土壤pH显著低于氮肥分次施用处理(N2和N3),CO2累积释放量较分次施用处理(N2、N3)分别增加了13.98%和26.56%。说明氮肥分次施用能较减少土壤CO2的释放。(2)采用室内土柱模拟培养试验,设置不同的氮肥种类(包括硫酸铵、硝酸铵、尿素和硝酸钾)及碳酸钙含量不同的6个土壤(C1、C2、C3、C4、C5和C6),间隔相同时间连续施氮进而淋溶,每次施氮15天后进行淋溶,并测定土壤淋溶液pH、EC、Ca2+、Mg2+和HCO3-含量,在第六次淋溶和培养结束后测定土壤pH和CaCO3的变化,研究长期施用氮肥对土壤无机碳溶解及钙、镁等离子流失的影响。研究表明:培养结束后,施用氮肥显著增加了土壤淋溶液中Ca2+、Mg2+含量,不同氮肥种类相比,硫酸铵>硝酸铵、尿素>硝酸钾;施用硫酸铵、硝酸铵、尿素显著降低了土壤CaCO3含量、土壤淋溶液pH及土壤pH;而硝酸钾处理对土壤碳酸钙含量、淋溶液及土壤pH无显著影响。(3)我国集约化农业生产系统氮肥过量施用现象普遍,本研究首次估算了1980-2019年由于施用氮肥及氮素沉降导致的土壤酸化对我国农田土壤SIC储量的影响,并预测到2100年土壤酸化对SIC储量的影响。结果表明,1980年0-40 cm农田土壤SIC储量为2.16 Pg C(16.30 MgC ha-1)。在1980-2019年期间,我国耕地耕层(0-40cm)SIC储量损失了7%(0.15 Pg C,1.09 MgC ha-1);到2100年,我国耕地耕层SIC储量可能会损失37%。
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