保护性耕作对农田碳、氮效应的影响研究进展

作物产量的高低主要取决于土壤肥力,如何保持并提高土壤肥力是确保我国粮食安全和农业可持续发展的重要任务,也是众多学者关注的焦点。土壤有机碳和氮素是评价土壤质量的重要指标,其动态平衡直接影响土壤肥力和作物产量。随着全球气候变化及环境污染问题的愈加突出,农田土壤固碳及提高氮效率成为各界科学家研究的热点。目前,保护性耕作已成为发展可持续农业的重要技术之一,对土壤固碳及氮素的利用具有很大的影响。深入了解保护性耕作对土壤有机碳固持与氮素利用效率提高的影响机制,对于正确评价土壤肥力有着重要意义。但由于气候、土壤及种植制度等条件不一致,关于保护性耕作对农田碳、氮效应结论不一。阐述了国际上保护性耕作对农田系统土壤有机碳含量变化及其分解排放(如CO₂和CH₄)、氮素变化及其矿化损失(如NH₃挥发、N₂O排放与氮淋失)和碳氮素相互关系(如C/N层化率)影响的研究进展,并分析了其影响因素和相关机理。尽管国内保护性耕作的研究已进行30 多年,但在土壤有机碳与氮素方面与国外相比依然有较大的差距。保护性耕作对土壤固碳与氮素利用的影响机制,碳素和氮素在土壤-植株-大气系统中的转移变化,及结合农事管理等综合评价其生态效应的研究很少。在此基础上,提出未来我国保护性耕作在土壤有机碳固定和氮素利用方面的重点研究方向:(1)在定位试验基础上进一步探讨保护性耕作对土壤有机碳及氮素利用的影响机制;(2)深入研究土壤有机碳和氮素的相互关系及其对土壤肥力的影响;(3)结合环境保护与土壤可持续管理对保护性耕作农田土壤固碳及氮素高效利用的系统评价研究;(4)加强保护性耕作对农田碳、氮效应的宏观研究,合理评价保护性耕措施下对农田碳、氮综合效应。     

农田土壤固碳潜力的影响因素及其调控(综述)

土壤碳循环是与全球气候变化密切相关的重要地球表层系统过程,是近年来国际地学和生态学界研究的热点领域。农田生态系统是受人为扰动影响最大的陆地生态系统,在碳循环中具有重要地位,是人为可调控的碳循环系统。增强农田土壤有机碳的固定能力不仅有助于减缓大气CO2浓度增加速率,而且对保障国家粮食安全具有重要意义。本文简要概述我国农田土壤的固碳潜力,着重分析影响我国农田土壤固碳潜力的因素,包括施肥、灌溉、耕作强度等,提出增强农田土壤固碳潜力的调控措施,如合理施肥、合理轮作、保护性耕作、生物质炭施用等方法,并在此基础上提出今后的研究方向。最后建议综合考虑农业生产管理对固碳潜力的影响,充分发挥农业土壤固碳效应。     

保护性耕作对农田土壤有机碳及农业生产力的影响

农田土壤有机碳库作为陆地生态系统中受人类影响最大的碳库,其恢复对于增强土壤质量,保障粮食安全,涵养水源,减少大气CO2排放具有重要意义。保护性耕作对减少水土流失,增加土壤有机碳、增加农作物产量等方面有显著效果。笔者综述了保护性耕作对农田土壤有机碳及土壤理化性质的影响,探讨了保护性耕作对农业生产力的影响,对保护性耕作存在的问题提出了改进建议,为合理制订耕作措施和农业生产管理措施提供了科学依据。     

保护性耕作及其生态效应研究进展

保护性耕作以少耕、免耕、残茬覆盖为主要方式,具有保持水土、改变土壤理化性状、改善生态环境等优点。回顾了保护性耕作的发展过程,介绍了它的优、缺点,对国内外关于保护性耕作的生态效应研究进展从保护性耕作与水土保持,保护性耕作与土壤的理化性状,保护性耕作与土壤微生物区系、土壤酶活性和土壤动物,保护性耕作对土壤中碳储量的影响及对大气中CO2的贡献等4个方面进行了概括和分析。最后,讨论了我国保护性耕作的发展前景。     

农田土壤有机碳转化规律与平衡研究进展

近年来，国际学术界越来越重视农业土壤有机碳库的变化对大气CO2的源汇效应，研究农田土壤碳转化和平衡对正确评价农田土壤碳循环有重要意义。本文综述了国内外有关农田土壤有机碳转化规律和碳平衡研究采用的主要方法及手段，以及在该领域的研究现状，并从实际出发探讨了我国农田土壤碳库研究中亟待解决的一些问题。     

土壤有机碳转化研究及其进展

近年来,国际学术界越来越重视土壤有机碳库的变化对大气CO2的源汇效应,研究土壤碳转化和平衡对正确评价农田土壤碳循环有重要意义。土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡。文章主要总结了土壤有机碳在转换过程中对生物、物理和人为因素的影响,并且阐述了对其影响比较显著的几个因素,把握这几个关键因素对准确预测土壤有机碳在全球碳循环中的作用有着重要的作用。文章还了解了土壤有机碳转换的几个模式,展望了未来国内外土壤有机碳研究的前景。     

保护性耕作对农田土壤微生物特性的影响及驱动机制

研究不同耕作方式下土壤微生物群落,对揭示耕作方式对土壤质量的影响及机制具有重要的指导意义。本文综述了保护性耕作对农田土壤微生物特性及参与土壤碳氮循环的微生物功能基因的影响,并详述了土壤微生物的驱动机制;指出了不同耕作处理对微生物影响效果不同,保护性耕作有助于维持土壤微生物多样性及活性,保持土壤生态系统的稳定性。同时,文章还分析了目前研究中存在的问题,并对今后研究方向进行了展望。     

保护性耕作对土壤有机碳稳定化影响的研究进展

为进一步明确保护性耕作对土壤有机碳固持(Carbon sequestration)的影响,系统分析2000—2018年农田生态系统中,保护性耕作对土壤有机碳稳定化(Stabilization)影响的相关研究文献。结果表明,保护性耕作并不直接影响土壤有机碳本身的稳定性(Stability),而是通过改变土壤物理化学性质及有机碳分子结构(Molecular structure)促进土壤有机碳稳定化,增加土壤固碳。未来研究重点应在阐明保护性耕作条件下外源有机碳的投入(主要源于作物秸秆)与土壤有机碳变化的关系,保护性耕作条件下土壤理化性质对土壤有机碳矿化的影响以及保护性耕作对土壤有机碳分子结构及其对有机碳稳定的影响。     

浅谈保护性耕作与病虫草害的发生

<正>保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术,也是实现农业可持续发展的重要手段。随着保护性耕作技术的长期推广应用,农田地表微地形状态有所改变,进一步影响了农田土壤状态效应,加剧了农田杂草和病虫害发生。农田杂草、病虫害的发生是影响农作物生长和增产增收的重要因素之一。因此加强保护性耕作病虫草害防控措施的研究,制定有效的防治方法,对推动保护性耕作的良性发展,促进现代农业的科学可持续发展有着积极     

保护性耕作对土壤团聚体、微生物及线虫群落的影响研究进展

保护性耕作具有良好的生态效益,有利于农业生态系统的可持续发展。本文对比分析了国内外有关常规耕作和保护性耕作措施对土壤团聚体、土壤有机碳、土壤微生物及土壤线虫影响的研究进展。结果表明：保护性耕作减少土壤大团聚体的破坏,降低团聚体周转速率,提高土壤结构的稳定性;保护性耕作提高表层土壤总有机碳及活性有机碳含量;保护性耕作可以提高耕层微生物生物量,尤其对真菌生物量影响显著;保护性耕作不同程度地提高了团聚体中微生物量和微生物多样性,但并未改变微生物在团聚体中的分布模式;保护性耕作可提高土壤线虫多度,提高原状土壤和土壤各粒级团聚体中线虫群落的成熟度指数和结构指数,但并未改变线虫总数、营养类群、功能团及生态指数在团聚体中的分布模式。针对目前国内外研究现状,展望了保护性耕作今后的研究重点,以期为因地制宜选取保护性耕作措施提供理论支持,推进我国农业可持续发展。     

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→小麦和豌豆一小麦一豌豆,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7 a的轮作后,两种轮作次序下,0～30 cm土层中土壤有机碳、全氮、土壤微生物鼍碳、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,土壤微生物鼍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.     

长期保护性耕作对黄土高原旱作农田土壤碳含量及转化酶活性的影响

【目的】探究黄土高原旱作农田粮草轮作系统长期保护性耕作对土壤碳含量、碳转化酶活性的影响,为旱作农田土壤固碳和农业可持续发展提供科学依据。【方法】基于甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站开展的长期保护性耕作试验（开始于2001年）,分析传统耕作（T）、免耕（NT）、传统耕作+秸秆覆盖（TS）、免耕+秸秆覆盖（NTS）对玉米-冬小麦-饲用大豆粮草轮作系统玉米收获季不同土层（0—5、5—10、10—20 cm）土壤有机碳（SOC）、微生物量碳（MBC）含量、β-葡萄糖苷酶（βG）、纤维二糖水解酶（CBH）、β-木糖苷酶（βX）活性的影响。【结果】（1）保护性耕作措施可显著增加SOC、MBC含量,其中0—5 cm土层提升效果最显著。与传统耕作相比,秸秆覆盖使SOC和MBC含量分别升高19.1%和39.9%,免耕使SOC和MBC含量分别升高15.1%和34.3%。（2）保护性耕作措施显著提高了土壤碳转化酶活性,表现为βG>CBH>βX活性,对保护性耕作措施最敏感的酶是CBH。相比传统耕作,秸秆覆盖使0—5和5—20 cm土层βG、CBH、βX活性分别增加20.3%、37.6...     

黄土高原旱地保护性耕作农田土壤团聚体特性变化研究

以春玉米品种沈玉17为材料,设置保护性耕作（NT）、传统耕作＋秸秆还田（TS）和传统耕作（CT）3种耕作方式,通过多年定位试验,研究黄土高原旱塬地保护性耕作农田土壤有机质及团聚体特性的变化。结果表明,NT与TS和CT相比能显著提高土壤有机质含量。干筛法分析结果表明,0-30 cm深度,NT处理粒径〉0.25mm的大团聚体含量、平均重量直径（mean weight diameter,MWD）均显著高于TS和CT处理。湿筛法分析结果表明,水稳性团聚体MWD在0-10 cm深度为NT〉TS〉CT,处理间差异显著（P〈0.05）;0-20 cm深度,NT处理土壤团聚体破坏率均低于CT处理。保护性耕作能促进土壤团聚体的形成,提高团聚体的稳定性,而传统耕作则由于人为扰乱土层结构,降低了土壤团聚体数量和稳定性。     

免耕对农田土壤持水特性和有机碳储量影响的区域差异

【目的】分析耕作对土壤碳储量的影响,明确我国东北、华北地区的科学耕作方式,为区域优化耕作模式、改善土壤提供依据。【方法】基于吉林公主岭（GZL）、山西寿阳（SSY）、河北廊坊（HLF）、山西临汾（SLF）4个长期定位试验,选择传统耕作（CT）、免耕（NT）两个耕作处理,分析耕作对有机碳影响的区域差异。【结果】（1）免耕对土壤容重和紧实度影响存在区域性差异,显著提高了东北冷凉区黏质黑土（公主岭）和华北砂质潮土（廊坊）的土壤容重和紧实度,土壤容重分别增加了12.1%、0.7%,但降低了黄土高原东部粉砂壤质黄土（临汾）和砂壤质褐土（寿阳）的土壤容重和紧实度,土壤容重分别降低了1.5%、8.2%。（2）公主岭试验点0、10 kPa土壤体积含水量处理间差异显著,免耕较传统耕作分别提高了40.4%、30.1%;寿阳试验点0、10、500 kPa下免耕较传统耕作土壤体积含水量分别降低了6.4%、4.3%、5.9%,350 kPa下提高了2.1%;廊坊试验点10、350、500 kPa免耕下土壤体积含水量分别提高了0.6%、5.6%、2.6%;临汾试验点0和10 kPa免耕下土壤体积含水量分别降低了7.1%、5.5%,350 和500 kPa土壤体积含水量分别提高了2.9%、8.9%。（3）在4个区域,免耕显著提高了0—10 cm表层土壤有机碳储量,其中公主岭增加最显著,提高了45.4%;但免耕对0—80 cm土层总有机碳储量影响存在区域性差异,公主岭提高了7.2%,寿阳、廊坊、临汾分别降低了26.8%、31.3%、23.5%。（4）土壤有机碳与饱和含水量呈极显著正相关关系,而与年均温、年降水、紧实度具有显著负相关关系,有机碳储量受气候因子、持水能力、紧实度的影响显著。【结论】由于我国东北和华北地区气候、作物类型、土壤性质等不同,免耕对土壤有机碳储量影响存在区域性差异,可以显著提高各区域表层土壤有机碳储量,但仅提高了东北冷凉区黏质黑土（公主岭）土壤总有机碳储量。总体来说,免耕保护性耕作技术是提高表层有机碳储量的有效途径。     

保护性耕作对西北旱区土壤微生物空间分布及土壤理化性质的影响

【目的】保护性耕作在中国西北旱区已得到了广泛应用,是农业生产中重要的技术措施。探析保护性耕作对土壤肥力和土壤微生物群落结构的影响,有助于农业生产的可持续发展。本试验从土壤理化性质和微生物相结合的角度,探讨保护性耕作对土壤微生物空间结构的影响,以及旱作麦田微生物群落丰度和土壤理化性质的相关性,为推广保护性耕作措施提供理论依据和实践支持。【方法】以中国西北旱区土壤为研究对象,常规耕作翻耕(PT)为对照,设计深松耕(CPT)和免耕(ZT)两种保护性耕作方式,采用实时荧光定量PCR技术,测定土壤微生物群落丰度和土壤理化性质指标,并分析微生物群落空间分布与土壤理化性质和保护性耕作之间的关系。【结果】长期应用保护性耕作已对旱作麦田的环境产生显著影响,不同的耕作方式对土壤真菌和细菌群落丰度有不同的影响,两者对3种耕作方式均有不同程度的响应;在不同的耕作方式下,土壤微生物空间分布不均,连续性较差,空间变异程度较高,表现出强烈的空间聚集分布。耕作方式对土壤理化性质和酶活性也有显著的影响,与传统翻耕相比,深松耕和免耕方式能显著提高土壤黏粒、水分、全氮、铵态氮含量和脲酶、蔗糖酶活性。典范主分量分析(CPCA)结果表明,土壤微生物群落丰度和理化性质变化主要受到耕作方式的影响,并且土壤微生物群落丰度与理化性质密切相关,在免耕方式下,土壤黏粒、水分和铵态氮含量等显著影响土壤细菌群落分布;在深松耕方式下,土壤可溶性碳含量和过氧化氢酶活性等显著影响土壤真菌群落分布。【结论】旱作麦田采用保护性耕作,可以影响土壤微生物群落丰度和空间分布,并且显著影响土壤理化性质,进而影响土壤微生物空间结构。同时,土壤水分和碳氮含量分别显著影响土壤细菌和真菌丰度。     

免耕条件下不同秸秆覆盖量的土壤有机碳红外光谱特征

【目的】研究不同秸秆覆盖量免耕条件下不同剖面深度土壤的红外光谱特征,探讨免耕对土壤有机碳组成的影响及秸秆来源土壤有机碳在不同土层的分布特征。【方法】以吉林省梨树县黑土秸秆覆盖免耕长期定位试验区不同层次土壤为研究对象,对比分析无秸秆覆盖（CK）、33%秸秆覆盖、67%秸秆覆盖、100%秸秆覆盖4种处理土壤红外光谱特征。【结果】连续5年秸秆覆盖免耕种植后的土壤,红外光谱吸光值随着剖面层次的加深而降低;差减土壤矿物光谱后的谱图表明：0—5 cm土层土壤红外基团吸收明显增加,芳香碳、脂肪碳、烷基碳较之下层土壤具有明显的吸收峰。【结论】秸秆覆盖有利于有机碳在表层的累积,显著增加秸秆来源的芳香碳、脂肪碳及烷基碳含量。     

深松与免耕频次对黄土旱塬春玉米田土壤团聚体与土壤碳库的影响

【目的】明确减少深松频次对黄土旱塬春玉米田土壤结构与土壤碳库的影响。【方法】2007—2019年在渭北旱塬春玉米田实施不同深松与免耕频次的保护性耕作长期定位试验,以连续深松（S）为对照,设置减少深松频次的免耕与深松结合耕作模式,分别是两年一深松（NS）和三年一深松（NNS)。分析减少深松频次对土壤团聚体、团聚体固碳能力、土壤碳库组成及碳库管理指数的影响。【结果】（1）减少深松频次提高了土壤大土壤团聚体（R_0.25）含量,NNS处理下0—40 cm土层机械稳定性团聚体（DR_0.25）含量提升3.8%,水稳定性团聚体（WR_0.25）含量提升38.9%,NS处理下WR_0.25 提升41.8%。NNS处理降低了团聚体破坏率（PAD）和不稳定团粒指数（E_LT）,平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）显著增加13.2%和16.6%。（2）减少深松频次处理下团聚体总固碳能力（TOPC）得到显著提升。NNS处理0—40cm土层平均团聚体固碳能力提升10.8%,但20—30cm土层团聚体固碳能力有所下降。不同粒径团聚体固碳能力表明,<0.25mm粒径团聚体固碳能力较强。（3）NNS处理对0—40cm土层土壤总有机碳（TOC）含量无显著影响,但增加了10—20cm土层TOC含量,减轻了表层土壤有机碳层化效果,降低了30—40cm土层TOC含量,促进了深层土壤有机碳的层化。（4）NNS处理0—40cm土层活性有机碳（EOC）含量显著增加24.9%,EOC含量的增加提升了EOC/TOC比值,增加了碳库活度（A）和碳库活度指数（AI）,相比于S处理,增加碳库管理指数（CPIM）39.8%。【结论】长期连续深松不利于土壤团聚体的形成及土壤碳库的良性循环,而三年一深松的耕作模式有助于降低土壤团聚体的破坏程度,提高碳库管理指数,增强土壤碳库的活度,调节土壤碳库的更新和循环,是适合该地区的耕作模式。