有机施肥通过抵消坡地紫色土壤农田中的气体流失，促进了土壤有机碳的固存

本研究在四川紫色土坡地开展两年小麦-玉米轮作试验，比较NPK、OMNPK、RSDNPK与对照的SOC损失。结果表明：有机肥显著增加气态损失（异养呼吸>98%），但减少径流损失；总SOC损失处理间差异显著（8280.79-12516.77 kg/ha>对照6068.51 kg/ha），气候与土壤因素共同驱动损失（气态42%）。建议结合土壤与气候因素制定碳管理策略。

　　

刘向龙|李秋红|严芳芳|徐鹏|刘东阳|董红阳|张世航|王晓国|朱波

中国科学院山地灾害与环境研究所山地表面过程与生态调控重点实验室，中国成都610041

摘要

尽管已有大量研究探讨了土壤呼吸和侵蚀对土壤有机碳（SOC）损失的影响，但在坡地农业生态系统中，通过气体和径流途径导致的SOC损失机制仍不甚明了。本研究在坡地紫色土壤农田中进行了为期两年的田间实验，以评估不同施肥措施对SOC损失的影响。实验处理包括对照组（CK）、矿物肥料（NPK）、有机肥料与NPK结合（OMNPK）以及作物残渣与NPK结合（RSDNPK）。结果表明，有机肥料显著增加了通过气体排放和溶解有机碳（DOC）淋溶的SOC损失，同时减少了通过沉积物径流的损失，这反映了不同SOC损失途径之间的差异。三种施肥处理下的总SOC损失范围为8280.79至12,516.77公斤/公顷，远高于对照组（6068.51公斤/公顷）。在所有处理中，超过98%的SOC损失来自土壤异养呼吸，而对照组中与径流相关的碳损失比例最高（1.1%）。通过在同一田间实验中同时评估气体和径流相关的SOC损失途径，本研究揭示了坡地紫色土壤中SOC损失的差异调节机制：土壤因素直接影响气体SOC损失，而气候因素（尤其是降雨）主要通过径流途径控制SOC损失。土壤和气候因素的综合影响解释了气体SOC损失变化的42%。总体而言，结果表明有机肥料会在不同SOC损失途径之间产生权衡，并在适宜的管理下可能增强净生态系统碳平衡，这强调了在制定农业生态系统的可持续碳管理策略时需要考虑土壤特性和气候条件。

引言

土壤有机碳（SOC）对于维持土壤生产力和调节生态系统碳平衡至关重要，但在集约管理的农业系统中，它极易通过气体（如CO₂和CH₄排放）和水文（如溶解和颗粒有机碳传输）途径流失（Bellamy等，2005；Dawson和Smith，2007；Sothe等，2022）。在紫色土壤中，由于地形陡峭、降雨频繁以及侵蚀风险增加，特别是在夏季种植玉米期间，这些损失更为严重（Wang和Zhu，2011）。尽管农业管理措施对SOC动态有显著影响，但大多数先前的研究仅关注了个别的SOC损失途径，这限制了对田间条件下总SOC损失的全面理解（Bah等，2020；Jiang等，2022）。

施肥、灌溉和作物残渣返还等农业实践通过改变土壤温度、湿度、微生物活动和养分循环直接影响SOC损失（Chen等，2016；Dossou-Yovo等，2016；Fiedler等，2015；Reeves等，2019；Yu等，2017）。早期研究反复报告，在施用有机肥料和作物残渣后土壤CO₂排放量高于施用矿物肥料或不施肥的对照组（Chi等，2020；Zhang等，2014）。然而，这些观察结果主要基于土壤-植物系统的测量，通常未能明确区分土壤异养呼吸与总呼吸，也未分析其驱动因素。相比之下，关于CH₄通量对施肥反应的研究结果各不相同，有些研究表明CH₄吸收增加（Huang等，2019），有些则显示处理效果微弱（Verdi等，2019），甚至还有增加排放的情况。这些发现表明，气体SOC损失途径对施肥的反应具有路径特异性，且在坡地农田条件下仍不明确。

除了气体排放外，与径流相关的SOC损失——包括通过地表径流和淋溶传输的沉积物结合有机碳和溶解有机碳（DOC）——是农业土壤中一个重要但变化较大的途径（Hua等，2015）。施肥和作物残渣管理可以显著改变土壤结构、植被覆盖和水文过程，从而影响DOC和沉积物相关碳损失（Hua和Zhu，2018）。虽然一些研究表明作物残渣返还通过改善表面保护和渗透作用减少了侵蚀和沉积物结合的SOC损失（Hua和Zhu，2018），但也有研究报道在秸秆覆盖或残渣添加下DOC损失增加（Jiang等，2022；Li等，2023a；Li, Liang, He和Li，2023b）。这些不同的结果突显了径流介导的SOC损失的复杂性，强调了需要同时量化多种水文途径，而不仅仅是单独考察DOC或沉积物损失。

紫色土壤在FAO土壤分类系统中属于Eutric Regosols类型，是长江上游地区的主要耕地资源（Zhong等，2019）。然而，陡峭的地形、浅薄的土壤剖面和发达的地下水流系统使得这些土壤特别容易通过气体和水文途径流失SOC（Hua等，2014；Hua和Zhu，2018）。先前的研究还表明，在夏季种植玉米期间SOC损失比冬季种植小麦期间更为严重（Hua等，2015）。尽管如此，综合评估不同季节和施肥措施下的气体和径流相关SOC损失的田间研究仍然有限。

为填补这些空白，并在先前关于坡地农田SOC损失研究的基础上，本研究旨在开发一种基于过程的SOC损失动态综合评估方法。首先，在同一田间实验中同时量化了通过气体途径（土壤异养呼吸和CH₄通量）和径流相关途径（通过地表径流和淋溶的沉积物结合有机碳和溶解有机碳）的SOC损失，以便比较它们的相对贡献。其次，通过结合多种统计和建模方法，研究了土壤特性和气候因素在控制气体和径流相关SOC损失中的相对作用。第三，将特定途径的SOC损失纳入净生态系统碳平衡框架，以评估不同施肥策略的碳效率。假设有机肥料和作物残渣的投入会促进SOC矿化，表现为土壤异养呼吸的增加，同时通过改善土壤结构和植被覆盖减少与径流相关的SOC损失。进一步假设气候因素会对SOC损失产生路径特定的影响，较高的温度主要增加气体SOC损失，而强烈的夏季降雨则通过水文途径增加SOC损失。因此，预期高碳输入的施肥措施，特别是作物残渣返还，会在使用净生态系统碳平衡框架进行评估时减轻净SOC损失。为此，在坡地紫色土壤农田中进行了为期两年的小麦-玉米轮作系统的田间实验，目的是：（i）量化不同施肥处理下的特定途径SOC损失；（ii）研究不同季节中主导的土壤和气候因素对气体和径流相关SOC损失的控制；（iii）评估不同施肥管理下的净生态系统碳平衡。

实验地点

该田间研究在中国西南部的紫色土壤农业生态研究站进行（31°16′N, 105°27′E）。紫色土壤坡地占四川盆地农业总面积的65%以上，是该地区的主要耕地类型（Zhu等，2009）。这些地区的土壤通常具有浅层结构和低水分传导性，这使得土壤在降雨后能够迅速吸收水分（Zhou等，2014）。

气候和土壤条件

2019-2020年的气温范围为4.4°C至29.6°C，2020-2021年的气温范围为-5.8°C至29.4°C（图2a）。2019-2020年的年降水量（640毫米）明显低于2020-2021年（1087毫米）。年降水量的70%以上发生在夏季（图2a）。在两个实验年度中，土壤温度趋势和季节性模式与气温趋势密切相关（图2b）。

土壤DOC和湿度条件存在明显差异

讨论

通过在同一田间实验中同时考虑气体和径流相关的SOC损失途径，本研究提供了关于不同施肥措施下坡地紫色土壤农田中SOC损失动态的综合性视角。与以往仅关注个别SOC损失途径的研究不同，这里使用的综合框架允许直接比较气体排放和径流介导损失的相对重要性，以及它们之间的差异反应

结论

本研究详细评估了在不同施肥处理下坡地紫色土壤中通过气体排放、淋溶和沉积物传输的SOC损失。在两年期间，施肥显著增加了总SOC损失，其中土壤异养呼吸占总通量的98%以上。RSDNPK处理由于气体排放增加而表现出最高的SOC损失，但它也接受了最高的碳输入

作者贡献声明

刘向龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件使用，正式分析，数据管理。李秋红：撰写 – 原稿，可视化。严芳芳：监督，资金获取。徐鹏：撰写 – 审稿与编辑，监督。刘东阳：数据管理。董红阳：调查，数据管理。张世航：软件使用，方法学。王晓国：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法学，调查

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42171067）、国家重点研发计划（2023YFD1901204）和中国烟草总公司四川分公司重点计划（SCYC202213）的支持。