土壤及团聚体固碳效应的影响范文

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《中国农业科学杂志》2015年第二十三期

【研究意义】黄土高原坡耕地区占黄土高原现有耕地的73.6%，水土流失严重，生态环境脆弱，农业生产力长期处于低下水平[1]。保护性耕作作为一种可持续农业技术，对提高黄土高原坡耕地区土壤肥力和固碳能力具有深远的意义。土壤有机碳（SOC）是土壤养分循环及肥力供应的核心物质，其演变规律总体上可反映管理措施的差异，但由于土壤不同粒级团聚体的固碳能力存在明显差异，因而从土壤有机碳演变规律和团聚体固碳趋势两方面研究就显得十分重要[3]。【前人研究进展】李长生[4]利用DNDC模型模拟的结果表明，中国农田土壤每年损失73.8TgC，这主要是耕作、施肥等田间管理措施不合理造成的。大量研究表明，长期保护性耕作下，农田表土有机碳含量总体呈上升趋势。韩冰等整理了全国典型农业长期定位实验站数据，得出免耕措施的全国农田土壤固碳能力现状为1.17TgC•a-1，固碳潜力为3.58TgC•a-1，是固碳能力现状的3倍。López-Fando等[8]通过17年长期定位试验研究发现，免耕表层（0—5cm）有机碳的累积分别比少耕和翻耕多5.8和7.6tC•hm-2。土壤有机碳主要集中分布在大团聚体（＞0.25mm）且大团聚体中的有机碳活性较高，对不同农田管理措施的响应更加强烈[9]。邸佳颖等[10]的研究表明秸秆还田增加的土壤有机碳主要累积于较大团聚体中，对较小粒级团聚体的有机碳含量影响较小。【本研究切入点】目前，国内外对农田有机碳及团聚体有机碳的研究主要集中在不同耕作措施对其影响上，对长期耕作下有机碳的演变规律和不同级别团聚体固碳差异等方面的研究还有待进一步探讨。【拟解决的关键问题】探讨长期耕作对农田土壤0—10cm土层碳储量的影响，为黄土高原坡耕地区土壤肥力提升和固碳技术选择提供参考；分析土壤固碳与水稳性团聚体固碳的关系，进一步了解长期不同耕作下旱地农田的固碳机制。

1材料与方法

1.1研究区概况试验地位于农业部旱地农业野外科学观测实验站保护性耕作田间试验区内（34.80°N，112.56°E），地处河南孟津县，属于黄土高原东部丘陵区，土层深厚（50—100m），土壤类型是壤质黄土，土壤颗粒组成为黏粒15.2%、粉粒23.4%、细砂58.2%、粗砂2.3%。气候类型属于亚热带向温带过渡地带，年平均气温13.7℃，l月最冷，平均为-0.5℃，7月最热，平均为26.2℃。多年平均降水量为650mm，全年平均日照时数为2270h，全年平均日照率为51%，平均积温为5046℃，平均无霜期为235d。

1.2试验设计试验开始于1999年，试验小区种植的作物为冬小麦，夏季休闲。共设4个处理，3次重复。少耕无覆盖（RT）：小麦收获时留茬10cm，秸秆和麦穗带走不还田，小麦收获后翻耕20cm，之后耙耱；免耕覆盖（NT）：小麦收获时留茬30cm，剩余秸秆脱粒还田；深松覆盖（SM）：小麦收获时留茬30cm，剩余秸秆脱粒后还田，小麦收获后间隔60cm深松30—35cm；传统翻耕（CT）：小麦收获时留茬10cm，秸秆和麦穗带走不还田，小麦收获后翻耕20cm，不耙耱，播种前进行第2次耕翻，施肥，耙耱，播种。各处理施肥量相同，均为N150kg•hm-2，P2O5105kg•hm-2，K2O45kg•hm-2。

1.3土壤水稳性团聚体分级2013年7月采集0—10cm土层样品进行团聚体分级。分级方法依据Cambardella等[11]的湿筛法，并稍作修改。具体方法：土壤样品在阴凉处风干48h后，称取100g风干土平铺于孔径为2mm的筛子上，在室温下用蒸馏水浸没5min，手动上下振动筛子，移动幅度为3cm，频率为25次/min，共振荡2min。振荡完毕后小心取出2mm筛子，用蒸馏水将团聚体洗到特制铁盒中。按照此方法依次过1、0.25和0.053mm筛，重复3次，将收集到的＞2、1—2、0.25—1、0.053—0.25和＜0.053mm粒级团聚体烘干，称量，利用元素分析仪测定各级土壤团聚体中的有机碳含量。为方便阐述，以0.25mm为界将团聚体划分为大团聚体（＞0.25mm）和微团聚体（＜0.25mm）。

1.4计算方法

1.4.1有机碳储量及团聚体有机碳储量式中，Msoil为0—10cm层土壤有机碳储量（tC•hm-2）；SOC为土壤有机碳含量（g•kg-1）；BD为0—10cm土壤容重（g•cm-3）；H为土层厚度，取10cm；M’i为i级别团聚体的有机碳储量（tC•hm-2）；Ci为第i级别团聚体的相对质量分数；SOCi为第i级别团聚体的有机碳含量。

1.4.2秸秆碳还田量与根茬碳还田量式中，Ystraw为秸秆产量（t•hm-2），Ygrain为已测定的籽粒产量（t•hm-2），ρ为秸秆籽粒比取1.1[13]；Input-Cstraw为秸秆碳还田量（tC•hm-2），Input-Ystraw为秸秆还田量（t•hm-2），免耕和深松处理为产量的100%，少耕传统和两茬仅残茬还田，为产量的15%；Cstraw为秸秆含碳量取40%[14]；α为根冠比，是包含根系分泌物后得出的比值，取0.6；β为根茬还田率，0—10cm土层的根茬还田率取70%；Croot为根茬含碳量取40%[13]。采用Excel2007进行数据、图表处理，利用SAS9.1软件进行方差分析（ANOVA），用最小显著差数法（LSD）进行差异显著性检验。

2结果

2.115年长期不同耕作措施对土壤表层（0—10cm）有机碳含量及储量的影响

2.1.1对土壤表层有机碳、土壤容重和有机碳储量的影响经过15年的不同耕作管理，NT和SM处理显著提高了0—10cm土层有机碳含量及储量（图1）。同CT处理相比，NT和SM处理的有机碳含量分别提高了22.9%和21.8%，有机碳储量分别提高了21.8%和16.7%。长期不同耕作的0—10cm层土壤容重无显著差异。

2.1.2对土壤表层固碳量及固碳速率的影响固碳量和固碳速率可以作为有机碳演变的特征参数。15年不同耕作表层土壤固碳量及年固碳率的结果显示（图2），RT和CT处理的固碳量和固碳速率为负值，说明有机碳储量呈下降趋势，RT和CT处理的固碳速率分别为-0.08和-0.05tC•hm-2•a-1。NT和SM的有机碳储量随耕作年限增加，固碳速率分别为0.09和0.06tC•hm-2•a-1。

2.215年长期不同耕作措施对土壤表层（0—10cm）水稳性团聚体有机碳含量及储量的影响

2.2.1对土壤表层水稳性团聚体有机碳含量的影响由图3可以看出，不同耕作处理显著影响土壤水稳性团聚体有机碳含量。总的来看，大团聚体（＞0.25mm）的有机碳含量较高，约为微团聚体（＜0.25mm）的3—8倍。免耕覆盖和深松覆盖提高了所有＞0.053mm粒级团聚体有机碳含量，与传统耕作相比，＞2mm级别团聚体分别提高了112.5%和117.1%，1—2mm粒级提高了23.5%和37.6%，0.25—1mm粒级提高12.3%和7.2%，0.053—0.25mm粒级提高了3.7%和5.4%，免耕覆盖和深松覆盖使粒级较大团聚体有机碳的提高幅度较大，粒级越小，提高幅度越小。2.2.2对土壤表层水稳性团聚体有机碳储量的影响不同耕作处理显著影响各级别团聚体有机碳储量（图4），总的来看，微团聚体的有机碳储量较高，约占总团聚体有机碳储量的65%，其中0.053—0.25mm团聚体的有机碳储量最高。免耕和深松覆盖处理不同程度提高了所有＞0.053mm粒级团聚体有机碳储量，与传统耕作相比，＞2mm粒级分别提高了223.0%和168.5%，1—2mm粒级提高了56.9%和42.5%，0.25—1mm粒级提高23.3%和35.5%，0.053—0.25mm粒级提高了11.5%和3.6%，免耕和深松覆盖处理对粒级较大团聚体有机碳储量的提高幅度较大，粒级越小，提高幅度越小，同团聚体有机碳含量的变化趋势一致。

2.3长期不同耕作措施对农田累积碳投入量的影响图5表示不同耕作处理下来源于作物根茬和秸秆的累积农田有机碳投入量。结果表明不同耕作处理的差异导致土壤中碳投入来源和比例的差异较大，RT和CT处理的碳投入主要来源于作物根系残茬，约为总碳投入的84.2%；NT和SM处理土壤碳投入源于根系残茬的比例约为44.5%，并且根茬的农田有机碳投入量显著高于RT和CT处理，但二者之间差异不显著。由于秸秆碳的投入，NT和SM处理的总农田碳投入量显著高于RT和CT处理，是RT和CT处理的2倍左右。

2.4土壤及团聚体与碳投入的关系

2.4.1土壤表层固碳量与累积碳投入的关系由土壤固碳量与累积碳投入的关系（图6）可以看出，土壤固碳量与累积农田碳投入之间呈极显著正相关关系。从累积碳投入与土壤固碳量的线性方程可计算出维持土壤有机碳储量不变的最低碳投入量（当土壤固碳量等于零时的累积碳投入量），因此，由图6方程y=0.087x-2.740可计算出，要维持土壤有机碳储量稳定的累积农田碳投入量为31.5tC•hm-2，平均每年最低碳投入量为2.4tC•hm-2。

2.4.2土壤表层团聚体有机碳储量与累积碳投入的关系团聚体有机碳储量随碳投入量增加的速率可以反映外源碳在不同粒级团聚体中的转化程度，斜率越大，说明碳投入的转化率越高。由累积碳投入与团聚体有机碳储量相关性分析结果看出（表1），＞0.25mm团聚体有机碳储量均与累积碳投入量呈极显著的正相关关系。＞2mm团聚体有机碳储量与累积碳投入量直线关系的斜率最大，说明＞2mm团聚体有机碳储量为总有机碳储量增加的主要决定因素。虽然0.053—0.25mm团聚体有机碳储量最高，但此粒级团聚体有机碳储量与累积碳投入量直线关系的斜率较小，说明此粒级团聚体对外源碳的固定能力较弱。

3讨论

3.1保护性耕作的固碳效应关于保护性耕作的固碳速率，文献报道存在差异。韩冰等的计算结果为免耕措施在全国平均的农田土壤固碳速率为284.55kg•hm-2•a-1。金琳等利用中国近20年研究不同农田管理措施下土壤有机碳储量变化的长期定位试验数据，得出不同农田管理措施增碳作用为化肥与有机肥配施（0.9tC•hm-2•a-1）＞秸秆还田（0.60tC•hm-2•a-1）＞有机肥（0.55tC•hm-2•a-1）＞免耕（0.51tC•hm-2•a-1）＞化肥（0.13tC•hm-2•a-1）。免耕的固碳速率在不同区域差别较大，介于0.39—3.26tC•hm-2•a-1，其中西北地区免耕的固碳速率为0.91tC•hm-2•a-1，在此区域免耕的增碳效果好于施用有机肥和秸秆还田。Wang等[18]依靠中国北方旱地玉米长期田间试验，应用Century模型模拟分析了不同耕作措施下土壤有机碳变化，得出免耕和深松的固碳速率分别为0.117和0.160tC•hm-2•a-1。本试验地点位于河南西部旱区坡度为8°的黄土坡耕地上，以往的试验资料显示[19]，本地区水土流失严重，土壤有机碳矿化强烈，在该地区实施免耕覆盖和深松覆盖的固碳速率分别为0.09和0.06tC•hm-2•a-1，这一结果明显低于Wang等的研究结果，说明河南西部黄土坡耕地区秸秆碳被土壤有机碳固定的较少，土壤固碳速率较低，需要投入更多的碳才能保持原有有机碳水平。王小彬等的研究表明保护性耕作通过秸秆还田增加土壤碳投入是维持和提高土壤有机碳的有效途径。本研究表明15年的保护性耕作下，以秸秆覆盖为主要特征的免耕和深松处理土壤有机碳含量呈上升趋势，相反，无秸秆还田的少耕处理下降了10.7%，这说明结合秸秆还田的保护性耕作才能获得提高土壤有机碳的效果，仅减少耕作频率和强度的少免耕对农田土壤有机碳无明显提高作用。王成己等的研究结果也表明，秸秆不还田的保护性耕作相对于对照的有机碳增加效果甚微，以耕作管理为主的少免耕对农田土壤有机碳的积累作用具有极大的不确定性。

3.2团聚体有机碳与土壤碳固定土壤团聚体物理保护导致的生物与有机碳的空间隔离是土壤有机碳最主要的稳定机制。本研究结果表明，与翻耕相比，长期免耕覆盖和深松覆盖可提高土壤表层0—10cm各级团聚体有机碳含量，尤其对＞2mm团聚体有机碳含量的提升最多，这可能是由于免耕覆盖和深松覆盖处理增加了新鲜植物残体有机碳，更多的有机碳被大团聚体保护起来，进而促进了其在土壤中的固定。关于不同级别团聚体对土壤固碳的贡献，文献报道也存在一些差异。Castro等在巴西红壤地区的研究发现，＞2mm团聚体的有机碳含量最高；Elliott等认为，大团聚体中的有机碳比微团聚体中的有机碳更容易矿化，微团聚体中的有机碳大多是高度腐殖化的惰性组分。本研究结果表明长期保护性耕作显著提高了大团聚中有机碳含量，且外源碳在＞2mm团聚体中的转化率最高，这一方面是由于微团聚体通过有机质的胶结作用形成大团聚体，另一方面，植物残体首先被真菌菌丝缠绕于大团聚体内，大团聚体中处于分解状态的植物残体和菌丝可以增加其有机碳的浓度。同时还发现微团聚体的有机碳储量远大于大团聚体。Kool等认为不同碳库可能存在饱和等级现象，微团聚体中固持的碳周转较慢；但另一方面，由于微团聚体的固碳潜力较低，易于达到碳饱和，新进入土壤的碳主要积累于大团聚体中。本研究中，微团聚体有机碳储量与有机碳投入量直线关系的斜率较小，说明微团聚体的固碳能力较小。总之，微团聚体有机碳储量远高于大团聚体，对土壤碳的固定与物理保护起着重要作用；大团聚体有机碳含量较高，外源碳在大团聚体中的转化率高于微团聚体，可作为评价长期耕作措施对土壤碳储量影响的敏感指标。

4结论

15年长期免耕和深松覆盖处理的有机碳储量显著高于少耕和传统翻耕处理，固碳速率分别为0.09和0.06tC•hm-2•a-1。微团聚体存储了大部分的有机碳，占总团聚体有机碳储量的65%，但其有机碳含量较低。大团聚体有机碳含量较高，约为微团聚体（＜0.25mm）的3—8倍，且对耕作措施反应敏感，可作为评价耕作措施对土壤有机碳含量影响的指标。土壤固碳量随着累积碳投入量的增加而显著增加，要维持土壤有机碳储量稳定，每年最低需投入外源碳2.4tC•hm-2。综上所述，长期保护性耕作（包括免耕覆盖和深松覆盖）提高了黄土坡耕地区的土壤及团聚体有机碳储量，是有利于该地区土壤增碳的农田管理措施。

作者：李景 吴会军 武雪萍 蔡典雄 王碧胜 梁国鹏 姚宇卿 吕军杰 单位：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室 中国农业大学资源与环境学院 洛阳市农业科学研究所