東北地理所在保護(hù)性耕作提升黑土有機(jī)碳及固碳機(jī)制方面取得系列進(jìn)展
陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約為大氣碳庫(kù)儲(chǔ)量的2倍，其變化對(duì)二氧化碳濃度影響巨大。與草地、森林等自然生態(tài)系統(tǒng)相比，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)的影響更為劇烈，頻繁地耕作伴隨秸稈移除會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量迅速衰減。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的下降導(dǎo)致土壤肥力退化以及土地生產(chǎn)力的下降，嚴(yán)重威脅著國(guó)家的糧食安全。東北黑土區(qū)作為我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)基地的重要原因在于黑土是一種自然肥力高、富含有機(jī)質(zhì)且適于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力與物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。然而，近百年來(lái)的大規(guī)模耕墾加之管理不善，以傳統(tǒng)耕作（秸稈焚燒+秋翻）為主的耕作措施導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的急劇下降，迫使我們需要改進(jìn)耕作措施來(lái)阻止土壤有機(jī)碳的繼續(xù)流失。因此，我們提出了利用保護(hù)性耕作來(lái)增加土壤有機(jī)碳含量進(jìn)而提升土壤生產(chǎn)力，然而保護(hù)性耕作的作用在國(guó)際學(xué)術(shù)界存在著廣泛的爭(zhēng)議，需要通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)來(lái)明確其對(duì)土壤有機(jī)碳的影響及機(jī)制。
東北地理所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組以保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地（始于2001年）為研究平臺(tái)，開(kāi)展了系列保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化影響的研究，揭示了有機(jī)碳不同組分對(duì)不同耕作措施的響應(yīng)機(jī)制。通過(guò)定位連續(xù)監(jiān)測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作連續(xù)實(shí)施5年后，表層5cm土壤有機(jī)質(zhì)含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%，有機(jī)質(zhì)含量從28.28g/kg提升至43.02g/kg。保護(hù)性耕作下有機(jī)碳儲(chǔ)量增加速率最高可達(dá)到0.80 Mg C ha-1 yr-1，作物碳進(jìn)入土壤比例為16%左右，而傳統(tǒng)性耕作則以0.52 Mg C ha-1 yr-1的速率繼續(xù)減少有機(jī)碳儲(chǔ)量（表1）。該部分研究成果被2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)的《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃（2020—2025年）》采用，為保護(hù)性耕作在東北地區(qū)大面積推廣應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，我們利用物理及化學(xué)分組方法明晰了保護(hù)性耕作對(duì)不同碳庫(kù)分布的影響：從團(tuán)聚體角度出發(fā)，證明了保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳長(zhǎng)期固存的積極作用，從密度粒徑的角度得出保護(hù)性耕作不僅增加了輕組有機(jī)碳組分，對(duì)粘粉粒結(jié)合碳的提升也有顯著作用（圖1）；化學(xué)組分結(jié)果顯示，保護(hù)性耕作不僅增加了有利于微生物、植物吸收利用的活性碳庫(kù)，同時(shí)也增加了有利于長(zhǎng)期固碳的惰性碳庫(kù)，全面揭示了不同有機(jī)碳組分對(duì)保護(hù)性耕作的響應(yīng)情況，為深入研究其固定機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
表1.不同耕作措施下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（0-30 cm）及其變化速率、產(chǎn)量和碳投入
注：Initial：2001年；NTMS：免耕+玉米大豆輪作；MPMS：秋翻+玉米大豆輪作；NTMM：免耕+玉米連作；MPMM：秋翻+玉米連作；CTMM：傳統(tǒng)性耕作；Ca：年均碳投入（Mg C ha-1 yr-1）；SOC：土壤有機(jī)碳；Rc：SOC 儲(chǔ)量變化速率（Mg C ha-1 yr-1）；Cr：作物碳?xì)埩袈?。同一行相同小寫字母表示無(wú)顯著差異（P > 0.05）。
圖1. 與傳統(tǒng)性耕作相比不同耕作措施土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在各粒徑中分配情況
注：NTMS：免耕+玉米大豆輪作；MPMS：秋翻+玉米大豆輪作；NTMM：免耕+玉米連作；MPMM：秋翻+玉米連作；SOC：土壤有機(jī)碳；LF：輕組物質(zhì)；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：粘粒；平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=4；不同耕作措施下相同小寫字母表示無(wú)顯著性差異（P > 0.05）。
相關(guān)研究結(jié)果先后發(fā)表在國(guó)際土壤科學(xué)領(lǐng)域主流學(xué)術(shù)期刊Geoderma，Soil&Tillage Research和European Journal of Soil Science上。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目（拔尖青年科學(xué)家）、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)人才項(xiàng)目等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息:
1. Yan Zhang, Xiujun Li, Edward Gregorich, Neil McLaughlin, Xiaoping Zhang, Yafei Guo, Aizhen Liang*, Ruqin Fan, Bingjie Sun. No-tillage with continuous maize cropping enhances soil aggregation and organic carbon storage in Northeast China. Geoderma, 2018, 330, 204-211.
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.05.037
2. Yan Zhang, Xiujun Li, Edward Gregorich, Neil McLaughlin, Xiaoping Zhang, Yafei Guo, Aizhen Liang*. Evaluating storage and pool size of soil organic carbon in degraded soils: tillage effects when crop residue is returned; Soil & Tillage Research, 2019, 192, 215-221.
https://doi.org/10.1016/j.still.2019.05.013
3. Yan Zhang, Xiujun Li, Edward Gregorich, Neil McLaughlin, Xiaoping Zhang, Yafei Guo, Yan Gao, Aizhen Liang*. Tillage and cropping effects on soil organic carbon: biodegradation and storage in density and size fractions; European Journal of Soil Science, 2020, 1-12.
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