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随着全球气候变暖的日益加剧,人们不仅重视农田土壤的生产功能,更重视其固碳减排功能。施用有机物质是改良土壤和提高土壤持续生产力和固碳量的重要措施。稻田土壤秸秆资源丰富,但其是甲烷等温室气体的重要排放源,稻草直接还田加剧温室气体的排放,致使大量稻草被付之一炬。而红壤旱地土壤肥力和生产力水平低下,由于缺乏可利用的有机物质,土壤退化严重。探讨综合利用农业有机资源的新措施对缓解稻草焚烧和大量施用化肥引起的环境压力、培肥土壤、增加土壤生产力和促进农田土壤固碳减排均具有重要意义。
本研究针对亚热带农业生态系统秸秆资源综合利用中的关键问题,通过田间定位试验(休闲(BF);不施肥(Nil)；化肥(NPK)；NP+稻草(NP+RS,稻草12.7 tha-1))和室内模拟培养实验(稻草0、2、4、6和8 g kg-1),探讨稻草易地还土对土壤肥力改良及其固碳减排效应作用和机理。主要研究结果如下:
1)田间定位试验结果表明,连续8年施用稻草(NP+RS)后,红壤旱地土壤有机质、全氮和全磷含量分别增加37％、38％和30％,土壤提取氮和Olsen-P含量分别增加88％和278％。与施用化肥(NPK)相比,连续8年施用稻草后土壤有机质和全氮含量约增加13％,土壤pH值、总孔隙度和田间持水量也显著增加,而土壤容重显著降低(p<0.05)。这说明施稻草可快速改善红壤旱地土壤理化性质、提高土壤肥力。
2)连续施用稻草8年后,红壤旱地土壤微生物生物量C、N、P增加了2.82、2.09和2.95倍,增加量是施用化肥(分别增加2.29、1.37和2.30倍)的1.2-1.5倍(p<0.05)。与施用化肥相比,连续8年施用稻草后土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性增加了38.6％、27.5％和13.7％(p<0.05)。土壤微生物和酶活性的增加可促进红壤养分循环和增强红壤旱地土壤的养分供应能力。
3)与施用化肥相比,施用稻草后红壤旱地红薯和油菜8年平均产量增加20％和10％(p<0.05)。红薯和油菜8年平均产量与土壤有机质、全氮、全磷、提取氮和Olsen-P含量间均呈极显著正相关(r=0.67-0.88,n=24,p<0.01)。稻草易地还土对土壤综合肥力尤其是养分有效性的提高是其提升作物生产力的重要因为。
4)施用稻草8年,稻草碳年均积累率约为5.6％,耕层土壤平均固碳量约为0.6 t ha-1a-1。连续施用稻草8年后,耕层土壤固碳量增加4.84 t ha-1,比施用化肥增加固碳2.2 t ha-1(p<0.05)。施用稻草也显著提高了土壤大团聚体内有机碳的含量和分配比例；大团聚体对土壤新输入有机质具有高的富集和保护作用,对于减少新输入有机质在早期周转中的矿化和促进有机碳在土壤的积累具有重要意义。
5)室内培养试验结果表明,稻田土壤OH4和CO2的排放量随稻草添加量的增加而显著增加；稻草施用10-20 d对稻田土壤CH4排放有强的正激发效应,6-20 d对CO2的排放亦有明显的正激发效应,激发效应均随稻草施用量的增加而增强；旱地土壤施用稻草基本无CH4排放,但在前10 d对CO2排放有正激发效应；施用稻草对土壤N2O排放速率和排放量的影响较小；稻田土壤有机碳含量与CH4排放量呈极显著正相关；稻草施用量与稻田土壤CH4和CO2总排放量和激发排放量均呈极显著正相关(p<0.05)。稻草施用及其激发效应是稻田土壤温室气体排放量增加的主要因为。
6)稻草易地还土对温室气体减排量随稻草施用量的增加显著增加。稻草2、4、6和8 g kg-1易地还土,减排量分别为0.2、1.0、1.9和3.3 g CO2-C kg-1,相当于稻草施用量为4.4、8.8、13.2和17.6 t ha-1时,易地还土可减排400、2200、4200和7200kg CO2-C ha-1。
综上所述,稻草易地还土是科学综合利用农业有机资源、提升低产红壤旱地土壤肥力和生产力、增加红壤旱地土壤固碳量、减少稻田-旱地系统温室气体排放的有效措施和促进亚热带农田生态系统温室气体减排。