土壤及團聚體固碳效應的影響范文

本站小編為你精心準備了土壤及團聚體固碳效應的影響參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《中國農業科學雜志》2015年第二十三期

【研究意義】黃土高原坡耕地區占黃土高原現有耕地的73.6%，水土流失嚴重，生態環境脆弱，農業生產力長期處于低下水平[1]。保護性耕作作為一種可持續農業技術，對提高黃土高原坡耕地區土壤肥力和固碳能力具有深遠的意義。土壤有機碳（SOC）是土壤養分循環及肥力供應的核心物質，其演變規律總體上可反映管理措施的差異，但由于土壤不同粒級團聚體的固碳能力存在明顯差異，因而從土壤有機碳演變規律和團聚體固碳趨勢兩方面研究就顯得十分重要[3]。【前人研究進展】李長生[4]利用DNDC模型模擬的結果表明，中國農田土壤每年損失73.8TgC，這主要是耕作、施肥等田間管理措施不合理造成的。大量研究表明，長期保護性耕作下，農田表土有機碳含量總體呈上升趨勢。韓冰等整理了全國典型農業長期定位實驗站數據，得出免耕措施的全國農田土壤固碳能力現狀為1.17TgC•a-1，固碳潛力為3.58TgC•a-1，是固碳能力現狀的3倍。López-Fando等[8]通過17年長期定位試驗研究發現，免耕表層（0—5cm）有機碳的累積分別比少耕和翻耕多5.8和7.6tC•hm-2。土壤有機碳主要集中分布在大團聚體（＞0.25mm）且大團聚體中的有機碳活性較高，對不同農田管理措施的響應更加強烈[9]。邸佳穎等[10]的研究表明秸稈還田增加的土壤有機碳主要累積于較大團聚體中，對較小粒級團聚體的有機碳含量影響較小。【本研究切入點】目前，國內外對農田有機碳及團聚體有機碳的研究主要集中在不同耕作措施對其影響上，對長期耕作下有機碳的演變規律和不同級別團聚體固碳差異等方面的研究還有待進一步探討。【擬解決的關鍵問題】探討長期耕作對農田土壤0—10cm土層碳儲量的影響，為黃土高原坡耕地區土壤肥力提升和固碳技術選擇提供參考；分析土壤固碳與水穩性團聚體固碳的關系，進一步了解長期不同耕作下旱地農田的固碳機制。

1材料與方法

1.1研究區概況試驗地位于農業部旱地農業野外科學觀測實驗站保護性耕作田間試驗區內（34.80°N，112.56°E），地處河南孟津縣，屬于黃土高原東部丘陵區，土層深厚（50—100m），土壤類型是壤質黃土，土壤顆粒組成為黏粒15.2%、粉粒23.4%、細砂58.2%、粗砂2.3%。氣候類型屬于亞熱帶向溫帶過渡地帶，年平均氣溫13.7℃，l月最冷，平均為-0.5℃，7月最熱，平均為26.2℃。多年平均降水量為650mm，全年平均日照時數為2270h，全年平均日照率為51%，平均積溫為5046℃，平均無霜期為235d。

1.2試驗設計試驗開始于1999年，試驗小區種植的作物為冬小麥，夏季休閑。共設4個處理，3次重復。少耕無覆蓋（RT）：小麥收獲時留茬10cm，秸稈和麥穗帶走不還田，小麥收獲后翻耕20cm，之后耙耱；免耕覆蓋（NT）：小麥收獲時留茬30cm，剩余秸稈脫粒還田；深松覆蓋（SM）：小麥收獲時留茬30cm，剩余秸稈脫粒后還田，小麥收獲后間隔60cm深松30—35cm；傳統翻耕（CT）：小麥收獲時留茬10cm，秸稈和麥穗帶走不還田，小麥收獲后翻耕20cm，不耙耱，播種前進行第2次耕翻，施肥，耙耱，播種。各處理施肥量相同，均為N150kg•hm-2，P2O5105kg•hm-2，K2O45kg•hm-2。

1.3土壤水穩性團聚體分級2013年7月采集0—10cm土層樣品進行團聚體分級。分級方法依據Cambardella等[11]的濕篩法，并稍作修改。具體方法：土壤樣品在陰涼處風干48h后，稱取100g風干土平鋪于孔徑為2mm的篩子上，在室溫下用蒸餾水浸沒5min，手動上下振動篩子，移動幅度為3cm，頻率為25次/min，共振蕩2min。振蕩完畢后小心取出2mm篩子，用蒸餾水將團聚體洗到特制鐵盒中。按照此方法依次過1、0.25和0.053mm篩，重復3次，將收集到的＞2、1—2、0.25—1、0.053—0.25和＜0.053mm粒級團聚體烘干，稱量，利用元素分析儀測定各級土壤團聚體中的有機碳含量。為方便闡述，以0.25mm為界將團聚體劃分為大團聚體（＞0.25mm）和微團聚體（＜0.25mm）。

1.4計算方法

1.4.1有機碳儲量及團聚體有機碳儲量式中，Msoil為0—10cm層土壤有機碳儲量（tC•hm-2）；SOC為土壤有機碳含量（g•kg-1）；BD為0—10cm土壤容重（g•cm-3）；H為土層厚度，取10cm；M’i為i級別團聚體的有機碳儲量（tC•hm-2）；Ci為第i級別團聚體的相對質量分數；SOCi為第i級別團聚體的有機碳含量。

1.4.2秸稈碳還田量與根茬碳還田量式中，Ystraw為秸稈產量（t•hm-2），Ygrain為已測定的籽粒產量（t•hm-2），ρ為秸稈籽粒比取1.1[13]；Input-Cstraw為秸稈碳還田量（tC•hm-2），Input-Ystraw為秸稈還田量（t•hm-2），免耕和深松處理為產量的100%，少耕傳統和兩茬僅殘茬還田，為產量的15%；Cstraw為秸稈含碳量取40%[14]；α為根冠比，是包含根系分泌物后得出的比值，取0.6；β為根茬還田率，0—10cm土層的根茬還田率取70%；Croot為根茬含碳量取40%[13]。采用Excel2007進行數據、圖表處理，利用SAS9.1軟件進行方差分析（ANOVA），用最小顯著差數法（LSD）進行差異顯著性檢驗。

2結果

2.115年長期不同耕作措施對土壤表層（0—10cm）有機碳含量及儲量的影響

2.1.1對土壤表層有機碳、土壤容重和有機碳儲量的影響經過15年的不同耕作管理，NT和SM處理顯著提高了0—10cm土層有機碳含量及儲量（圖1）。同CT處理相比，NT和SM處理的有機碳含量分別提高了22.9%和21.8%，有機碳儲量分別提高了21.8%和16.7%。長期不同耕作的0—10cm層土壤容重無顯著差異。

2.1.2對土壤表層固碳量及固碳速率的影響固碳量和固碳速率可以作為有機碳演變的特征參數。15年不同耕作表層土壤固碳量及年固碳率的結果顯示（圖2），RT和CT處理的固碳量和固碳速率為負值，說明有機碳儲量呈下降趨勢，RT和CT處理的固碳速率分別為-0.08和-0.05tC•hm-2•a-1。NT和SM的有機碳儲量隨耕作年限增加，固碳速率分別為0.09和0.06tC•hm-2•a-1。

2.215年長期不同耕作措施對土壤表層（0—10cm）水穩性團聚體有機碳含量及儲量的影響

2.2.1對土壤表層水穩性團聚體有機碳含量的影響由圖3可以看出，不同耕作處理顯著影響土壤水穩性團聚體有機碳含量。總的來看，大團聚體（＞0.25mm）的有機碳含量較高，約為微團聚體（＜0.25mm）的3—8倍。免耕覆蓋和深松覆蓋提高了所有＞0.053mm粒級團聚體有機碳含量，與傳統耕作相比，＞2mm級別團聚體分別提高了112.5%和117.1%，1—2mm粒級提高了23.5%和37.6%，0.25—1mm粒級提高12.3%和7.2%，0.053—0.25mm粒級提高了3.7%和5.4%，免耕覆蓋和深松覆蓋使粒級較大團聚體有機碳的提高幅度較大，粒級越小，提高幅度越小。2.2.2對土壤表層水穩性團聚體有機碳儲量的影響不同耕作處理顯著影響各級別團聚體有機碳儲量（圖4），總的來看，微團聚體的有機碳儲量較高，約占總團聚體有機碳儲量的65%，其中0.053—0.25mm團聚體的有機碳儲量最高。免耕和深松覆蓋處理不同程度提高了所有＞0.053mm粒級團聚體有機碳儲量，與傳統耕作相比，＞2mm粒級分別提高了223.0%和168.5%，1—2mm粒級提高了56.9%和42.5%，0.25—1mm粒級提高23.3%和35.5%，0.053—0.25mm粒級提高了11.5%和3.6%，免耕和深松覆蓋處理對粒級較大團聚體有機碳儲量的提高幅度較大，粒級越小，提高幅度越小，同團聚體有機碳含量的變化趨勢一致。

2.3長期不同耕作措施對農田累積碳投入量的影響圖5表示不同耕作處理下來源于作物根茬和秸稈的累積農田有機碳投入量。結果表明不同耕作處理的差異導致土壤中碳投入來源和比例的差異較大，RT和CT處理的碳投入主要來源于作物根系殘茬，約為總碳投入的84.2%；NT和SM處理土壤碳投入源于根系殘茬的比例約為44.5%，并且根茬的農田有機碳投入量顯著高于RT和CT處理，但二者之間差異不顯著。由于秸稈碳的投入，NT和SM處理的總農田碳投入量顯著高于RT和CT處理，是RT和CT處理的2倍左右。

2.4土壤及團聚體與碳投入的關系

2.4.1土壤表層固碳量與累積碳投入的關系由土壤固碳量與累積碳投入的關系（圖6）可以看出，土壤固碳量與累積農田碳投入之間呈極顯著正相關關系。從累積碳投入與土壤固碳量的線性方程可計算出維持土壤有機碳儲量不變的最低碳投入量（當土壤固碳量等于零時的累積碳投入量），因此，由圖6方程y=0.087x-2.740可計算出，要維持土壤有機碳儲量穩定的累積農田碳投入量為31.5tC•hm-2，平均每年最低碳投入量為2.4tC•hm-2。

2.4.2土壤表層團聚體有機碳儲量與累積碳投入的關系團聚體有機碳儲量隨碳投入量增加的速率可以反映外源碳在不同粒級團聚體中的轉化程度，斜率越大，說明碳投入的轉化率越高。由累積碳投入與團聚體有機碳儲量相關性分析結果看出（表1），＞0.25mm團聚體有機碳儲量均與累積碳投入量呈極顯著的正相關關系。＞2mm團聚體有機碳儲量與累積碳投入量直線關系的斜率最大，說明＞2mm團聚體有機碳儲量為總有機碳儲量增加的主要決定因素。雖然0.053—0.25mm團聚體有機碳儲量最高，但此粒級團聚體有機碳儲量與累積碳投入量直線關系的斜率較小，說明此粒級團聚體對外源碳的固定能力較弱。

3討論

3.1保護性耕作的固碳效應關于保護性耕作的固碳速率，文獻報道存在差異。韓冰等的計算結果為免耕措施在全國平均的農田土壤固碳速率為284.55kg•hm-2•a-1。金琳等利用中國近20年研究不同農田管理措施下土壤有機碳儲量變化的長期定位試驗數據，得出不同農田管理措施增碳作用為化肥與有機肥配施（0.9tC•hm-2•a-1）＞秸稈還田（0.60tC•hm-2•a-1）＞有機肥（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區域差別較大，介于0.39—3.26tC•hm-2•a-1，其中西北地區免耕的固碳速率為0.91tC•hm-2•a-1，在此區域免耕的增碳效果好于施用有機肥和秸稈還田。Wang等[18]依靠中國北方旱地玉米長期田間試驗，應用Century模型模擬分析了不同耕作措施下土壤有機碳變化，得出免耕和深松的固碳速率分別為0.117和0.160tC•hm-2•a-1。本試驗地點位于河南西部旱區坡度為8°的黃土坡耕地上，以往的試驗資料顯示[19]，本地區水土流失嚴重，土壤有機碳礦化強烈，在該地區實施免耕覆蓋和深松覆蓋的固碳速率分別為0.09和0.06tC•hm-2•a-1，這一結果明顯低于Wang等的研究結果，說明河南西部黃土坡耕地區秸稈碳被土壤有機碳固定的較少，土壤固碳速率較低，需要投入更多的碳才能保持原有有機碳水平。王小彬等的研究表明保護性耕作通過秸稈還田增加土壤碳投入是維持和提高土壤有機碳的有效途徑。本研究表明15年的保護性耕作下，以秸稈覆蓋為主要特征的免耕和深松處理土壤有機碳含量呈上升趨勢，相反，無秸稈還田的少耕處理下降了10.7%，這說明結合秸稈還田的保護性耕作才能獲得提高土壤有機碳的效果，僅減少耕作頻率和強度的少免耕對農田土壤有機碳無明顯提高作用。王成己等的研究結果也表明，秸稈不還田的保護性耕作相對于對照的有機碳增加效果甚微，以耕作管理為主的少免耕對農田土壤有機碳的積累作用具有極大的不確定性。

3.2團聚體有機碳與土壤碳固定土壤團聚體物理保護導致的生物與有機碳的空間隔離是土壤有機碳最主要的穩定機制。本研究結果表明，與翻耕相比，長期免耕覆蓋和深松覆蓋可提高土壤表層0—10cm各級團聚體有機碳含量，尤其對＞2mm團聚體有機碳含量的提升最多，這可能是由于免耕覆蓋和深松覆蓋處理增加了新鮮植物殘體有機碳，更多的有機碳被大團聚體保護起來，進而促進了其在土壤中的固定。關于不同級別團聚體對土壤固碳的貢獻，文獻報道也存在一些差異。Castro等在巴西紅壤地區的研究發現，＞2mm團聚體的有機碳含量最高；Elliott等認為，大團聚體中的有機碳比微團聚體中的有機碳更容易礦化，微團聚體中的有機碳大多是高度腐殖化的惰性組分。本研究結果表明長期保護性耕作顯著提高了大團聚中有機碳含量，且外源碳在＞2mm團聚體中的轉化率最高，這一方面是由于微團聚體通過有機質的膠結作用形成大團聚體，另一方面，植物殘體首先被真菌菌絲纏繞于大團聚體內，大團聚體中處于分解狀態的植物殘體和菌絲可以增加其有機碳的濃度。同時還發現微團聚體的有機碳儲量遠大于大團聚體。Kool等認為不同碳庫可能存在飽和等級現象，微團聚體中固持的碳周轉較慢；但另一方面，由于微團聚體的固碳潛力較低，易于達到碳飽和，新進入土壤的碳主要積累于大團聚體中。本研究中，微團聚體有機碳儲量與有機碳投入量直線關系的斜率較小，說明微團聚體的固碳能力較小。總之，微團聚體有機碳儲量遠高于大團聚體，對土壤碳的固定與物理保護起著重要作用；大團聚體有機碳含量較高，外源碳在大團聚體中的轉化率高于微團聚體，可作為評價長期耕作措施對土壤碳儲量影響的敏感指標。

4結論

15年長期免耕和深松覆蓋處理的有機碳儲量顯著高于少耕和傳統翻耕處理，固碳速率分別為0.09和0.06tC•hm-2•a-1。微團聚體存儲了大部分的有機碳，占總團聚體有機碳儲量的65%，但其有機碳含量較低。大團聚體有機碳含量較高，約為微團聚體（＜0.25mm）的3—8倍，且對耕作措施反應敏感，可作為評價耕作措施對土壤有機碳含量影響的指標。土壤固碳量隨著累積碳投入量的增加而顯著增加，要維持土壤有機碳儲量穩定，每年最低需投入外源碳2.4tC•hm-2。綜上所述，長期保護性耕作（包括免耕覆蓋和深松覆蓋）提高了黃土坡耕地區的土壤及團聚體有機碳儲量，是有利于該地區土壤增碳的農田管理措施。

作者：李景 吳會軍 武雪萍 蔡典雄 王碧勝 梁國鵬 姚宇卿 呂軍杰 單位：中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室 中國農業大學資源與環境學院 洛陽市農業科學研究所