東北地理所在保護性耕作提升黑土有機碳及固碳機制方面取得系列進展
陸地生態系統中土壤有機碳庫儲量約為大氣碳庫儲量的2倍，其變化對二氧化碳濃度影響巨大。與草地、森林等自然生態系統相比，農田生態系統受人類活動的影響更為劇烈，頻繁地耕作伴隨秸稈移除會導致土壤有機碳儲量迅速衰減。土壤有機碳儲量的下降導致土壤肥力退化以及土地生產力的下降，嚴重威脅著國家的糧食安全。東北黑土區作為我國主要的糧食生產基地的重要原因在于黑土是一種自然肥力高、富含有機質且適于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力與物理、化學和生物學特性。然而，近百年來的大規模耕墾加之管理不善，以傳統耕作（秸稈焚燒+秋翻）為主的耕作措施導致了土壤有機碳的急劇下降，迫使我們需要改進耕作措施來阻止土壤有機碳的繼續流失。因此，我們提出了利用保護性耕作來增加土壤有機碳含量進而提升土壤生產力，然而保護性耕作的作用在國際學術界存在著廣泛的爭議，需要通過長期觀測來明確其對土壤有機碳的影響及機制。
東北地理所黑土有機碳與保護性耕作學科組以保護性耕作長期定位試驗地（始于2001年）為研究平臺，開展了系列保護性耕作對土壤有機碳動態變化影響的研究，揭示了有機碳不同組分對不同耕作措施的響應機制。通過定位連續監測，我們發現保護性耕作連續實施5年后，表層5cm土壤有機質含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%，有機質含量從28.28g/kg提升至43.02g/kg。保護性耕作下有機碳儲量增加速率最高可達到0.80 Mg C ha-1 yr-1，作物碳進入土壤比例為16%左右，而傳統性耕作則以0.52 Mg C ha-1 yr-1的速率繼續減少有機碳儲量（表1）。該部分研究成果被2020年農業農村部與財政部聯合印發的《東北黑土地保護性耕作行動計劃（2020—2025年）》采用，為保護性耕作在東北地區大面積推廣應用提供了數據支撐。同時，我們利用物理及化學分組方法明晰了保護性耕作對不同碳庫分布的影響：從團聚體角度出發，證明了保護性耕作對土壤有機碳長期固存的積極作用，從密度粒徑的角度得出保護性耕作不僅增加了輕組有機碳組分，對粘粉粒結合碳的提升也有顯著作用（圖1）；化學組分結果顯示，保護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，同時也增加了有利于長期固碳的惰性碳庫，全面揭示了不同有機碳組分對保護性耕作的響應情況，為深入研究其固定機制奠定了基礎。
表1.不同耕作措施下土壤有機碳儲量（0-30 cm）及其變化速率、產量和碳投入
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：傳統性耕作；Ca：年均碳投入（Mg C ha-1 yr-1）；SOC：土壤有機碳；Rc：SOC 儲量變化速率（Mg C ha-1 yr-1）；Cr：作物碳殘留率。同一行相同小寫字母表示無顯著差異（P > 0.05）。
圖1. 與傳統性耕作相比不同耕作措施土壤有機碳儲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：土壤有機碳；LF：輕組物質；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：粘粒；平均值±標準誤，n=4；不同耕作措施下相同小寫字母表示無顯著性差異（P > 0.05）。
相關研究結果先后發表在國際土壤科學領域主流學術期刊Geoderma，Soil&Tillage Research和European Journal of Soil Science上。該研究得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學研究重點計劃項目（拔尖青年科學家）、中國科學院創新促進會人才項目等項目的聯合資助。
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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