保护性耕作及其对土壤有机碳的影响

本文把保护性耕作的发展划分为3个阶段,系统总结了保护性耕作技术发展的历程与趋势,并结合我国实际情况,论述了我国保护性耕作研究与应用存在的不足及其与国外的差距,进一步探讨了保护性耕作对土壤有机碳的影响。指出我国在该领域的研究应侧重以下几方面：加强研究保护性耕作对生态环境的作用,寻求有效的固碳途径和管理措施;探讨农田土壤保护性耕作系统能流-碳流循环过程及其动态响应,实现农田系统碳汇／源科学管理调控;采用GIS技术结合土壤有机碳动态模拟模型,评价保护性耕作区域尺度生态效益。     

长期保护性耕作对坡耕地黑土有机碳组分的影响

为对比长期保护性耕作模式与传统耕作模式对黑土有机碳组分的差异化,揭示长期保护性耕作对侵蚀退化黑土质量的恢复作用。基于典型黑土坡耕地连续15 a保护性耕作长期定位田间试验,设置免耕保护性耕作（NT）和旋耕传统耕作（CT）2个田间耕作试验,并实行玉米-大豆轮作模式,测定并分析了两种耕作措施下土壤有机碳及其不同碳组分随土壤剖面的垂直分布及变化特征。结果表明：连续实施15 a的NT与CT相比分别显著提高0～5和>5～10 cm土层的土壤有机碳质量分数（29.54%和22.38%）（P<0.05）,碳储量（31.11%和27.34%）（P<0.05）,全氮质量分数（53.74%和37.60%）（P<0.05）,表层土壤碳氮质量分数提升显著（P<0.05）,深层土壤碳氮质量分数变化不显著;以>5～10 cm土层土壤颗粒有机碳（69.85%）、0～5 cm土层的土壤轻组有机碳（130.81%）和0～5、>5～10 cm土层土壤微生物量碳（85.59%和59.53%）的提升为主,并且对深层土壤有机碳组分也产生一定的积极影响;耕作效应对于土壤团聚体稳定性指标影响显著（P<0.05）,并且土壤团聚体稳定性指标对于SOC质量分数提升也起到了关键作用。研究表明,与传统耕作相比,连续实施15 a保护性耕作,增加的有机碳以活性有机碳为主。长期的保护性耕作对恢复退化农田黑土质量及土壤固碳均具有重要意义。     

不同保护性耕作措施对麦-豆轮作土壤有机碳库的影响

通过设置在甘肃省定西市李家堡镇的不同保护性耕作试验,对春小麦、豌豆两种轮作次序下的土壤总有机碳、活性有机碳、微生物量碳含量进行了测定,并计算了各处理土壤碳库管理指数.结果表明:经过5年的轮作后,与传统耕作相比,两种轮作次序下免耕秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田处理均能不同程度地提高土壤总有机碳、活性有机碳、微生物量碳含量及土壤碳库管理指数,而免耕不覆盖处理除在0～5 cm提高了土壤有机碳库管理指数外,其他各层次均降低了土壤有机碳库管理指数,说明仅依靠免耕而不结合秸秆覆盖或还田对于土壤有机碳库的管理来讲是不可持续的.     

保护性耕作对潮土不同组分有机碳、氮的影响

为深入了解保护性耕作对土壤不同组分有机碳、氮的影响,本试验以北方潮土为研究对象,研究不同耕作方式下土壤轻组组分(LF)、重组组分(HF)以及各组分有机碳、氮(LFC、LFN、HFC、HFN)的变化。采用密度为1.7 g cm-3的碘化钾重液将土壤分离为轻组和重组。结果表明,0~20 cm土层,不同耕作方式下,土壤轻组有机碳(LFC)含量介于38.91~94.89 g kg-1之间,为土壤总有机碳(TOC)的6.89%~33.17%;轻组氮(LFN)含量介于1.03~3.47 g kg-1之间。耕作扰动导致土壤轻组有机碳、氮的损失,随着翻耕频率的增加,LF、LFC、LFN的含量显著降低;秸秆还田为土壤提供外源有机物,显著提高了土壤LFC和LFN的含量。轻组主要集中在土壤表层,随着土层深度的增加,LF、LFC、LFN的含量呈递减的趋势。由于轻组的C/N比值显著高于重组和原土,因此轻组对耕作制度和土层深度的变化更敏感。不同耕作制度下HF、HFC、HFN的含量变化不明显。少免耕能减少土壤有机碳、氮的损失,秸秆能补充土壤碳库,提高土壤氮含量,因此保护性耕作对提高土壤有机碳库,尤其对土壤轻组有机碳、氮的累积具有积极的作用。     

土壤活性有机碳不同组分对保护性耕作的响应

为分析保护性耕作措施对旱作农田土壤活性有机碳的影响以及对土壤有机碳的敏感响应指标进行归纳总结,探讨适合西南丘陵区紫色土农田生态系统在保护性耕作下的有机碳分组方法和活性碳有效指标提供科学依据,进而为土壤固碳减排、提高土壤质量奠定理论基础。在重庆北碚西南大学试验农场对平作(traditional tillage,T)、垄作(ridge tillage,R)、平作+秸秆覆盖(traditional tillage+straw mulching,TS)和垄作+秸秆覆盖(ridge tillage+straw mulching,RS)4种处理下、西南紫色土丘陵区"旱三熟"种植模式下的土壤总有机碳(Total soil organic carbon,TOC)、颗粒有机碳(Particulate organic carbon,POC)、水溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)、易氧化有机碳(Readily oxidized organic carbon,ROC)、可矿化有机碳(Mineralized organic carbon,MOC)以及微生物量有机碳(Microbial biomass carbon,MBC)进行了测定和分析。结果表明,秸秆覆盖不仅增加了表层土壤的TOC,也有利于20cm以上的耕层TOC的增加,而垄作对TOC的影响很小。秸秆覆盖处理下各土层POC均显著高于传统耕作,而单纯的垄作处理对5cm以下土层的POC没有影响,却显著地降低了0-5cm土层POC含量。DOC含量随土层的加深逐渐降低,且不同处理的差异主要出现在表层0-5cm土壤中,5cm以下土壤的DOC含量不易受到耕作措施的影响。TS、RS与对照相比均显著提高0-5cm土层的ROC含量,R与T之间差异不显著,秸秆覆盖只对土壤表层ROC影响很大。T、R、TS、RS处理全年日均土壤呼吸分别为1.84,1.65,2.22,2.21μmol/(m2·s),年土壤呼吸总量分别为696.31,624.41,840.12,836.33g/m2。与对照相比,垄作对土壤呼吸的影响不大,秸秆覆盖加速了土壤呼吸速率。秸秆覆盖处理显著提高了MBC含量,而垄作处理的影响不大。MBC与土壤呼吸速率呈显著正相关,R2介于0.756~0.919之间,P0.05。通过对土壤总有机碳及各组分之间的相关分析分析结果显示,TOC、POC、DOC和ROC在0-5cm土层表现显著的正相关,其他土层没有明显的规律。TOC、POC、DOC、ROC和MBC对耕作措施的响应变化基本一致,表现为对垄作处理的响应不显著,而受秸秆覆盖的影响很大,其中颗粒有机碳占总有机碳的35.74%~49.66%,二者显著正相关,可以作为反映土壤有机碳变化的敏感指标。     

长期保护性耕作对土壤有机碳和玉米产量及水分利用的影响

【目的】通过研究保护性耕作对旱地春玉米土壤有机碳(SOC)、产量及水分利用的影响,分析保护性耕作的增产机制,为旱作农田耕作技术应用提供理论和技术支持。【方法】采用2003~2013年连续11年的田间定位试验,设传统耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)3种耕作措施,分析土壤0-20 cm和20-40 cm土层有机碳含量、土壤0-20 cm含水量、作物耗水量、玉米产量和水分利用效率的年际变化和耕作处理间的差异,并对玉米产量与影响因素的相关性进行分析。【结果】1)保护性耕作能有效提高土壤有机碳含量,少耕、免耕处理0-20 cm土层有机碳含量11年平均值较传统耕作分别提高了11.2%和3.4%;至2013年少耕、免耕20-40 cm土层有机碳含量分别较传统耕作增加了5.53和3.29 g/kg;土壤0-20 cm有机碳储量净增加速率分别为C 0.365和0.754t/(hm2·a)。2)保护性耕作具有明显的增产效果,少耕产量最高,增产效果最好2003~2013年均产量为5.83t/hm~2,较传统耕作提高了14.7%;免耕次之,年均产量为5.39 t/hm~2,较传统耕作增产6.1%。3)各耕作处理玉米产量与土壤0-20 cm土层含水量之间存在显著的二次方程关系,与作物耗水量之间具有显著的乘幂方程关系。4)保护性耕作可以增加土壤水分减少玉米生育期内的耗水量,提高水分利用效率,其中免耕土壤0-20 cm土层水分含量最高2003-2013年平均含水量为15.2%,较传统耕作和少耕提高了1.90和1.66个百分点,且生育期耗水量最少2003~2013年均耗水量为403.5 mm,较传统耕作和少耕减少了16.1 mm和7.6 mm;少耕、免耕的水分利用效率较传统耕作分别提高了16.1%和10.2%,降水利用效率较传统耕作提高13.9%和5.8%。【结论】长期保护性耕作可以有效地提高土壤有机碳含量、增加土壤水分、减少作物耗水量,从而显著提高了玉米产量和水分利用效率,3种耕作措施中以少耕效果最好,免耕次之在旱作农田推广少、免耕保护性耕作措施是一种增产、节水的有效途径。     

保护性耕作对水-旱轮作土壤有机碳组分的影响——基于密度分组法

以武穴市10年水-旱轮作长期定位试验的传统耕作(CT)、传统耕作+秸秆还田(CTS)、免耕(NT)、免耕+秸秆还田(NTS)4个处理的水稻土为对象,通过密度分组方法研究各组分有机碳(游离态轻组、闭蓄态轻组、重组)含量的变化特征,探讨秸秆还田与免耕对土壤有机碳及其组分的影响。结果表明,游离态轻组、闭蓄态轻组和重组有机碳含量分别为1.25～3.02 g kg~(-1),0.85～3.05 g kg~(-1)和18.46～23.23 g kg~(-1),占总有机碳的4.44%～12.36%、3.53%～10.86%和77.85%～82.73%。NTS处理显著增加土壤闭蓄态轻组和重组有机碳含量;免耕对各组分土壤有机碳的影响不明显。闭蓄态轻组和重组有机碳与总有机碳含量呈极显著正相关,闭蓄态轻组对耕作方式改变的敏感性最强(敏感性指标为4.00),能够敏感地反映不同耕作措施对土壤有机碳库的影响。与常规还田相比,NTS处理促进游离态轻组有机碳向闭蓄态轻组有机碳转化,有利于土壤有机碳的积累,是本研究中提升土壤有机质的最佳保护性耕作措施。     

保护性耕作模式对黑土有机碳含量和密度的影响

以公主岭市长期（10 a）保护性耕作定位试验为研究对象,分析与传统耕作模式相比的几种保护性耕作模式对黑土固碳效应的影响。共设4种耕作模式,即秋翻秋耙匀垄、秋灭茬匀垄、全面旋耕深松和宽窄行交替休闲（又叫松带、苗带交替休闲）（后3种视为保护性耕作）。结果表明,经过10 a的耕作试验,不同的耕作模式对土壤有机碳有显著的影响。表层0～20 cm秋翻秋耙匀垄和秋灭茬匀垄模式的土壤有机碳含量最低,深层30～50 cm全面旋耕深松模式的土壤有机碳质量分数显著低于其他耕作模式13.49%～25.14%;0～50 cm耕层中宽窄行交替休闲的土壤有机碳质量分数高于其他耕作处理0～33.58%。宽窄行交替休闲模式下的宽窄行松带活性有机碳质量分数及缓性有机碳质量分数分别高于其他模式8.06%～48.87%和0～33.83%。全面旋耕深松模式与宽窄行交替休闲模式下的宽窄行苗带土壤有机碳密度分别低于和高于秋翻秋耙10.95%、17.13%;＞20～50 cm宽窄行苗带的活性有机碳密度及缓性有机碳密度分别高于其他耕作模式2.20%～18.85%和17.00%～29.19%,不同耕作模式的土壤惰性有机碳密度没有显著性差异。相对秋翻秋耙的传统模式,不同的保护性耕作模式能够增加土壤有机碳密度也能够降低土壤有机碳密度,宽窄行交替休闲主要通过增加土壤活性有机碳及缓性有机碳密度来增加其土壤有机碳密度,是东北地区固定土壤有机碳、提高土壤有机碳质量的有效耕作方式。     

保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳全氮及微生物量碳氮的影响

通过设置在甘肃省定西市李家堡镇的保护性耕作措施长期定位试验,共设4个处理（T：传统耕作;NT：免耕无覆盖;TS：传统耕作＋秸秆还田;NTS：免耕＋秸秆覆盖）,采用春小麦豌豆双序列轮作（即小麦→豌豆→小麦和豌豆→小麦→豌豆,本文中所指春小麦地、豌豆地分别指2008年种植春小麦、豌豆的轮作次序）,于2008年3月中旬对春小麦、豌豆双序列轮作下的土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳及土壤微生物量氮含量进行了采样测定。结果表明,经过7a的轮作后,两种轮作次序下,0-30cm土层中土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量均有在免耕＋秸秆覆盖、传统耕作＋秸秆还田处理较免耕不覆盖、传统耕作处理高的趋势,且其含量均随着土壤深度的增加而降低。其中,土壤微生物量碳含量在两种轮作次序下的排序均为：免耕＋秸秆覆盖（NTS）〉传统耕作＋秸秆还田（TS）〉免耕不覆盖（NT）〉传统耕作（T）;而土壤微生物量氮含量在春小麦地和豌豆地的排序则分别表现为：免耕＋秸秆覆盖（NTS）〉传统耕作＋秸秆还田（TS）〉传统耕作（T）〉免耕不覆盖（NT）和免耕＋秸秆覆盖（NTS）〉传统耕作＋秸秆还田（TS）〉免耕不覆盖（NT）〉传统耕作（T）。同时,微生物量碳、微生物量氮与有机碳和全氮均呈显著正相关,说明提高土壤有机质、全氮含量的保护性耕作模式有利于土壤微生物量碳与氮的积累。     

保护性耕作对土壤易氧化和总有机碳的影响

以11年的不同耕作方式的长期试验为基础,在甘肃省定西试验站研究了在两种轮作序列下传统耕作不覆盖(T),免耕+秸秆还田(NTS),免耕+不覆盖(NT)和传统耕作+秸秆覆盖(TS)四种耕作方式对土壤总有机碳和易氧化有机碳的影响。研究结果表明:在两种轮作序列下,种植豆科作物,秸秆覆盖和切碎还田都能增加土壤有机碳总量,其中,切碎还田(TS)效果最为明显;种植豌豆、免耕、秸秆还田等处理都能提高易氧化有机碳含量,其作用的大小为TSNTSNT;与传统耕作相比,秸秆覆盖和免耕均有利于黄绵土表层有机碳和易氧化有机碳的积累,尤其是保护性耕作对0~10 cm土层总有机碳有重要影响。     

保护性耕作对黑土有机碳组分和玉米产量的影响

  目的  探究不同保护性耕作措施对黑土有机碳组分的影响,对于保持黑土生态稳定性及其高肥力水平具有重要意义。  方法  以农田黑土为研究对象,玉米为供试作物,采用随机区组设计,设置传统翻耕（CT）、传统翻耕 + 秸秆还田（CTSI）、免耕（NT）、免耕 + 秸秆还田（NTSI）、深松（ST）和深松 + 秸秆还田（STSI）,共6个处理,采用密度分组法,研究不同保护性耕作措施对耕层土壤（0 ~ 20 cm）有机碳组分含量、结构特征及玉米产量的影响。  结果  与CT处理相比,不同保护性耕作处理土壤总有机碳含量均显著提高（P < 0.05）。ST处理轻组有机碳、粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳组分含量均较CT处理显著增加（P < 0.05）,与不还田相比,秸秆还田处理有机碳各组分含量均增加,NTSI处理较CTSI处理显著提高轻组有机碳含量,STSI处理较CTSI处理显著提高粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳含量。主成分分析表明,与CT处理相比,NT、NTSI、ST和STSI处理均能提高轻组有机碳多糖和碳水化合物官能团的相对含量;保护性耕作措施较CT处理不仅增加了粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳组分活性官能团相对含量,还增加了稳定性官能团相对含量,有利于土壤稳定性结构的形成,促进碳的固存。耕作与秸秆还田显著影响了玉米产量,ST较CT和NT处理分别显著提高了22.37%和21.42%（P < 0.05）,秸秆还田处理有利于玉米产量提升,STSI处理增产效果最佳;相关性分析表明,粗颗粒有机碳能有效指示土壤有机碳的变化,其与细颗粒有机碳在维持和提升玉米产量中具有重要贡献。  结论  采用深松结合秸秆还田的保护性耕作措施对于稳定与提高黑土有机碳含量、固持土壤碳库和增加玉米产量具有重要作用。     

保护性耕作下土壤团聚体组成及其有机碳分布特征

依据吉林省德惠市田间定位试验（始于2001年）,对玉米-大豆轮作和玉米连作模式下秋翻（MP）、垄作（RT）和免耕（NT）3种耕作方式的机械稳定性团聚体和水稳性团聚体粒级分布、水稳性团聚体有机碳含量及团聚体稳定性进行了研究。结果表明,3种耕作方式下,〉0.25 mm机械稳定性团聚体含量均在70%以上,最高可达93.29%,各粒级含量在两个土层中表现规律性不强。水稳性团聚体含量均在20%以上,最高可达35.5%,且表层高于底层。与干筛法测定的团聚体相比,〉0.25 mm团聚体含量明显减少,最大减少幅度为58.76%。两个土层中玉米-大豆轮作和玉米连作下的机械稳定性团聚体与水稳性团聚体对耕作处理的响应表现出一定的相似性,即RT〉NT〉MP。水稳性团聚体有机碳含量随粒径的减小而增大,3种耕作方式下有机碳含量表现为NT〉RT〉MP,表层高于底层,且玉米-大豆轮作高于玉米连作。比较3种耕作方式,垄作更有利于团聚体的形成和稳定,且玉米-大豆轮作好于玉米连作。     

保护性耕作对潮土团聚体组成及其有机碳含量的影响

利用保护性耕作长期定位试验平台,研究了小麦-玉米轮作条件下连续5年实施免耕与秸秆还田对农田潮土团聚体组成、团聚体中有机碳含量的影响。结果表明:相比于常规翻耕,常规翻耕+秸秆还田、免耕、免耕+秸秆还田处理下5 mm粒级机械稳定性团聚体含量显著提升,增加比例分别为16.62%、16.05%、44.23%;而免耕、免耕+秸秆还田能显著提升5~2 mm粒级水稳性团聚体含量,提升比例分别为29.81%和64.28%,同时团聚体稳定率也有一定的提高;实施免耕能显著提高5~2、2~1 mm粒级水稳性团聚体中有机碳含量;除常规翻耕+秸秆还田处理下2~1 mm粒级外,秸秆还田对各粒级团聚体中有机碳含量均有不同程度的提升作用。     

Soil Organic Carbon and Nitrogen Fractions under Different Land Uses and Tillage Practices

Many questions have surfaced regarding long-term impacts of land-use and cultivation system on soil carbon (C) sequestration. The experiment was conducted at Ohio Agricultural Research and Development Center. Only minor variations of soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) fractions with depth under plow tillage (PT). The SOC, total nitrogen (TN), microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) concentrations were higher under grassland and forestland in the top 0–15 cm depth than arable soils. No-tillage (NT) also increased SOC and N fractions concentrations in the surface soils than PT. Compared to arable, grass and forest could significantly improve proportions of MBC and MBN, and reduce proportions of dissolved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON). NT and forest also increased the ratio of SOC/TN, MBC/MBN, and DOC/DON. Overall, grass and forest provided more labile C and improved C sequestration than arable. So did NT under arable land-use.     

保护性耕作对土壤团聚体及其有机碳含量的影响

为了探讨保护性耕作对旱作农田套作模式土壤团聚体的影响,在重庆北碚西南大学试验农场对传统耕作(T)、垄作(R)、传统耕作+覆盖(TS)和垄作+覆盖(RS)4种处理下的西南紫色土丘陵区小麦—玉米—大豆套作体系玉米大豆共生时期土壤团聚体进行筛分和测定分析.结果表明:在玉米条带,随着团聚体粒级的减小各处理间水稳性团聚体质量分数差异降低,且差异主要出现在＞0.25 mm粒级的大团聚体中.但是在小麦—大豆条带,不同处理的水稳性团聚体含量没有明显差异.不同土层的土壤水稳性团聚体含量趋势一致,大小排序为A1(＞2 mm粒级的团聚体)＞A2(2～0.25 mm粒级的团聚体)＞M2(＜0.053mm粒级的团聚体)＞M1(0.25～0.053 mm粒级的团聚体).0-5 cm土层＞2 mm粒级的团聚体含量在36.31％～54.84％之间,低于5-10 cm土层的含量(55.22％～70.73％),耕作处理对土壤水稳性团聚体的影响主要表现在0-5 cm土层中,5-10 cm土层各处理间没有差异.不同粒级团聚体内有机碳含量大小排序为A2＞A1＞M1＞M2,有机碳主要富集在2～0.25 mm粒级的团聚体内,其中的水稳性团聚体有机碳含量变化尤其敏感.保护性耕作措施能显著提高土壤有机碳含量,虽然2～0.25 mm粒级中的有机碳含量最高,但是它的质量分数较低,土壤总有机碳增加主要是由于＞2 mm粒级的土壤水稳性团聚体有机碳含量提高.在西南紫色土丘陵区小麦—玉米—大豆套作模式下,保护性耕作有利于改善土壤团聚体结构,增加大团聚体含量,促进土壤有机碳的固定.     

成土母质和土地利用方式对土壤有机碳化学组成的影响

土壤有机碳库是陆地生态系统中最重要的碳库之一,土地利用方式和成土母质是影响土壤总有机碳及其组分的重要因素。以湖南省花岗岩和玄武岩分布区的林地、旱地和稻田土壤(0～70 cm)为研究对象,采用H₂SO₄逐级水解法将土壤有机碳分为活性、半活性和惰性三个组分,探究土地利用方式和成土母质对土壤总有机碳及其各组分的影响。结果表明:不同母质和土地利用方式下,土壤活性、半活性、惰性有机碳含量随着土层深度的增加而逐渐降低,且与总有机碳含量均呈极显著正相关关系;土壤活性、半活性和惰性有机碳占总有机碳库的比例分别为31.38%～45.41%、3.68%～12.25%和40.83%～59.29%,且随土层深度的增加占比不发生显著变化;玄武岩地区,表层(0～20 cm)土壤活性、半活性、惰性以及总有机碳的储量在不同土地利用方式间占比不发生显著变化,而底层(20～70 cm)土壤活性、半活性、惰性以及总有机碳在稻田中的储量均显著高于林地;花岗岩地区,除表层土壤半活性有机碳以外,表层和底层土壤中总有机碳及各组分有机碳储量在不同土地利用方式间均无显著性差异。双因素方差分析...