耕地不同管理措施對(duì)土壤碳循環(huán)的影響研究

林赤輝 郭小雨 康文慧 張宇

摘要：大多研究表明耕地并非是碳匯式的用地類型，這一方面是由于林地、草地向耕地的轉(zhuǎn)化過程中會(huì)釋放大量的CO2，而另一方面人類的耕種、施肥、灌溉等耕地管理措施也會(huì)對(duì)耕地土壤碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響。本文基于耕地管理視角，以內(nèi)蒙古典型地區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同管理措施對(duì)耕地土壤碳循環(huán)的影響。結(jié)果表明，在控制其他變量的前提下，化肥有機(jī)肥配施以及單施有機(jī)肥對(duì)土壤碳匯有較明顯的作用，免耕和秸稈還田對(duì)土壤碳匯有一定的作用，但作用有限，單施化肥的固碳量最低。因此應(yīng)采用科學(xué)合理的施肥策略，積極推廣測(cè)土培肥技術(shù)，大力推廣免耕技術(shù)，禁止燒荒，增加秸稈還田量等措施來加大耕地管理力度。

關(guān)鍵詞：耕地；管理措施；碳排放；碳匯；巴彥淖爾市

陸地碳循環(huán)問題一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)，耕地是受人類活動(dòng)最為明顯的一種土地利用類型，也是主要的碳源地類，耕地的利用方式與碳循環(huán)間有著緊密的關(guān)聯(lián)。已有研究在分析耕地利用與碳循環(huán)間的關(guān)系時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注了耕作制度、施肥措施、灌溉方式等農(nóng)田管理措施對(duì)耕地土壤碳庫的影響，測(cè)定某種管理措施下土壤碳的釋放或吸收效應(yīng)，以及對(duì)溫室氣體排放的影響，研究方法多采用微觀的實(shí)驗(yàn)分析法。研究表明，合理的耕作及管理措施能夠有效降低耕地土壤碳損失，每年吸收固定的碳量約為0.4Pg～1.2Pg，抵消掉碳排放量的5%～15%[1]，可以使土壤碳庫損失量的60%～70%得以重新固定[2]。

當(dāng)前，耕地管理措施主要包括施肥、秸稈還田、耕作制度等，不同措施會(huì)從不同方面對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響。施肥對(duì)耕地土壤有機(jī)碳作用的影響機(jī)理在于，一方面不同的施肥類型會(huì)引起土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改變，從而影響土壤中微生物的活性，最終加快或減緩了土壤有機(jī)碳的分解；另一方面不同的施肥措施對(duì)增加作物產(chǎn)量的作用是不同的，最終影響到作物（殘茬和根）還田量。國(guó)內(nèi)外關(guān)于施肥對(duì)土壤有機(jī)碳影響的研究主要集中于施用不同類型的肥料對(duì)有機(jī)碳含量的影響，共識(shí)性的結(jié)論是施用有機(jī)肥、化肥有機(jī)肥配施能夠增加土壤碳元素的輸入量，長(zhǎng)期施用能夠有效提高土壤有機(jī)碳含量[3-4]，特別是化肥有機(jī)肥配施還能克服單施有機(jī)肥易于氧化分解的缺點(diǎn)，從而既能增加碳元素的輸入量，又提高了有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性。而單施化肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響的研究則因?yàn)槭艿酵寥李愋?、氣候條件、耕作制度等諸多不確定因素的影響而未形成統(tǒng)一的結(jié)論。秸稈還田增加土壤有機(jī)碳的機(jī)理與施肥類似，一方面秸稈還田增加了有機(jī)質(zhì)的輸入量，從而增加了土壤總有機(jī)碳；另一方面秸稈的混入，改善了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[5]，降低了水土流失程度，很好的保存了土壤有機(jī)碳。從秸稈還田方式來看，秸稈混施要比秸稈表施更能促進(jìn)土壤有機(jī)碳的增加，而秸稈焚燒（燒荒）則會(huì)使有機(jī)質(zhì)大量損失，不利于土壤有機(jī)碳的增加。犁耕會(huì)不可避免的降低土壤有機(jī)碳含量[6]，其原因主要是3個(gè)方面[7]，一是耕作會(huì)引起土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞，引起土壤的氧化和礦化；二是耕作會(huì)引起土壤中可溶性有機(jī)碳的淋溶和遷移；三是耕作會(huì)加速土壤的侵蝕過程。因此，免耕是提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳的一種有效的方法，West[8]等測(cè)算出，免耕能使土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量平均每年增加（57±14）g/m2。張金波等[9]研究也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期耕作的土壤有機(jī)碳含量較自然植被土壤低40%～50%。

綜上，已有研究已經(jīng)取得了一定的成果，很有借鑒意義。但已有研究多是分析單一耕地管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，而對(duì)各類管理措施影響效果的對(duì)比研究較少。為對(duì)比分析不同耕地管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳變化的影響效果，從而確立更好的耕地管理措施，本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市為研究區(qū)域，通過實(shí)驗(yàn)分析單施化肥、單施有機(jī)肥、化肥有機(jī)肥配施、秸稈還田和免耕等五種耕地管理措施下耕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化狀況，以確定最為適宜的耕地管理措施。巴彥淖爾市地處河套平原，地勢(shì)平坦，土地肥沃，渠道縱橫，灌溉便利，素有“黃河百害，唯富一套”的說法，是國(guó)家和內(nèi)蒙古自治區(qū)商品糧、油生產(chǎn)基地。其土壤類型、種植制度均具有代表性，能夠較好的說明問題。

1.研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

巴彥淖爾市地處北緯40°13～42°28，東經(jīng)105°12～ 109°53之間，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，年平均日照時(shí)數(shù)為3110h～3300h之間，是我國(guó)光能資源最豐富的地區(qū)之一；降水量少，年平均降水量188mm，蒸發(fā)量大，年平均蒸發(fā)量卻高達(dá)2032mm～ 3179mm；風(fēng)大沙多，年平均風(fēng)速2.5m/s～3.4m/s，年最大風(fēng)速18m/s～40m/s；無霜期短，平均無霜期為126天，溫差大，四季分明。研究區(qū)內(nèi)土壤類型較多，有灌淤土、鹽土、堿土、風(fēng)沙土、潮土、新積土、沼澤土、灰土、栗鈣土、棕鈣土、灰漠土、灰棕漠土、石質(zhì)土、粗骨土等14個(gè)土類，32個(gè)亞類，94個(gè)土屬，348個(gè)土種。其中耕地土壤養(yǎng)分普查化驗(yàn)結(jié)果表明，五級(jí)以下者占71%，四級(jí)以上僅占19%，有機(jī)質(zhì)大于2.0%（主要是洪淤土）僅占10%，速效磷四級(jí)占51%，五級(jí)占26%，一級(jí)不足1%。速效鉀三級(jí)占31%，四級(jí)占21%，五、六級(jí)較少，一級(jí)占18%，二級(jí)占14%?？偟膩碚f，全市土壤是缺氮、少磷，有機(jī)質(zhì)含量低，鉀較豐富。

本文中選擇的實(shí)驗(yàn)田塊是長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)田，均為旱地。選擇單施化肥、單施有機(jī)肥、化肥有機(jī)肥配施、秸稈還田和免耕五種農(nóng)田管理措施下的耕地，分別測(cè)定土壤有機(jī)碳含量（SOC）、土壤容重，計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，并分析不同管理措施對(duì)碳平衡的影響。

1.2測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳含量測(cè)定方法為重鉻酸鉀外加熱法[10]，有機(jī)碳的含量為有機(jī)質(zhì)乘系數(shù)0.58。具體步驟為：稱取100目的風(fēng)干土樣（有機(jī)質(zhì)高于50g/kg，稱取0.1g；有機(jī)質(zhì)處于20g/kg～30g/kg之間，稱取0.3g，有機(jī)質(zhì)小于20g/kg，稱取0.5g以上），精確到0.0001。放入干燥的硬質(zhì)試管，用移液管準(zhǔn)確加入重鉻酸鉀標(biāo)液5mL（若含氯化物，加入Ag2SO40.1g），再用注射器注入5mL硫酸，小心旋轉(zhuǎn)搖勻，管口蓋上彎頸小漏斗，以冷凝蒸出水蒸氣。將試管放置在自動(dòng)控溫的鋁塊管坐中，維持溫度170℃～180℃，液體沸騰發(fā)生氣泡時(shí)開始計(jì)時(shí)，煮沸5min取出。冷卻后，將試管內(nèi)容物傾倒至250mL的三角瓶，用水清洗試管內(nèi)部及小漏斗，三角瓶中液體約為60mL～70mL，保持混合液中硫酸濃度為2mol L-1～3mol L-1，加入12滴～15滴指示劑，用硫酸亞鐵標(biāo)定，顏色由棕紅色-紫色-暗綠（灰藍(lán)綠色）?？瞻子?.500g粉狀二氧化硅代替土樣，硫酸亞鐵的滴定數(shù)記為V0。

2.測(cè)定結(jié)果分析

2.1不同管理措施對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響

土壤有機(jī)碳主要分布在100cm厚的土層內(nèi)，因此本文中以100cm土層內(nèi)的土壤有機(jī)碳含量計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量，如表1所示。結(jié)果表明，100cm土體內(nèi)化肥有機(jī)肥配施、單施有機(jī)肥、單施化肥、秸稈還田和免耕的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為100.6、104.2、91.3、91.8、95.7t·hm-2，對(duì)照數(shù)據(jù)（不施肥）為87.7t·hm-2。與對(duì)照數(shù)據(jù)相比，化肥有機(jī)肥配施樣地顯著增加了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，其次為單施有機(jī)肥、免耕、秸稈還田，單施化肥效果最差。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同厚度的土層內(nèi)由于采用不同的耕地管理措施，對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量影響也存在差異。與對(duì)照數(shù)據(jù)相比，化肥有機(jī)肥配施顯著增加了0cm～60cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量；單施有機(jī)肥和免耕顯著增加了表層（0cm～ 20cm）的有機(jī)碳，秸稈還田和單施化肥所導(dǎo)致的有機(jī)碳增加在各層均不顯著，這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)秸稈還田比例較低以及采用表施還田的方式所致，這一結(jié)論與其他學(xué)者[11]的研究比較相近?；视袡C(jī)肥配施、單施化肥的處理與單施有機(jī)肥處理相比，對(duì)深層有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加較多，可能是化肥中的速效養(yǎng)分可溶性好、移動(dòng)性較大，促進(jìn)了根系在土壤深層的分布和生長(zhǎng)，從而增加了深層土壤的有機(jī)質(zhì)含量。單施化肥與對(duì)照組相比對(duì)土壤有機(jī)碳的影響并不顯著，這與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相一致，而且可以推測(cè)長(zhǎng)期施用化肥會(huì)降低土壤有機(jī)碳含量。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)照數(shù)據(jù)土壤有機(jī)碳保持了較高的水平，分析認(rèn)為主要是研究區(qū)土壤容重較大，所以盡管有機(jī)碳含量較低，但有機(jī)碳儲(chǔ)量還是偏高。

從剖面分布看，不同管理措施下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨著土層深度的增加而迅速減少，0cm～20cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量占到100cm土層碳總量的30%左右，0cm～40cm則儲(chǔ)存了總量的一半以上?？傮w來看，研究區(qū)化肥有機(jī)肥配施、單施有機(jī)肥措施碳匯作用較明顯，其次是免耕和秸稈還田，施化肥的固碳量最低。

2.2不同管理措施對(duì)土壤碳平衡的影響

不同管理措施不僅影響土壤有機(jī)碳的總量，而且會(huì)對(duì)土壤碳平衡產(chǎn)生影響。土壤有機(jī)碳平衡即生長(zhǎng)季末（年末）土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與生長(zhǎng)季初（年初）儲(chǔ)量比較，正平衡表示土壤有機(jī)碳收入大于支出，反之則入不敷出。碳平衡反映了土壤有機(jī)碳收支抵消狀況，其計(jì)算公式為[12]：

計(jì)算土壤碳平衡時(shí)考慮兩種不同的階段劃分，即分別考慮全年CO2排放和生長(zhǎng)季CO2排放。表2中結(jié)果表明，如果考慮全年土壤CO2排放，在化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥樣地中，土壤的碳平衡為正值，土壤每年盈余655.4和100.3kg C·hm-2，其他處理有機(jī)碳呈虧損狀態(tài)，單施化肥處理由于沒有有機(jī)肥投入，虧缺量最大，為2244.8kg C·hm-2，其次是對(duì)照數(shù)據(jù)，虧缺量為2070.8kg C·hm-2，免耕可大大降低土壤CO2排放，增加土壤中殘茬量，因而土壤有機(jī)碳虧損為1567.9kg C·hm-2，秸稈還田可增加殘茬量，減少土壤CO2排放，土壤有機(jī)碳虧損為1785.7kg C·hm-2?？梢?，增施有機(jī)肥對(duì)土壤碳平衡有重要作用，一是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥直接增加了土壤有機(jī)碳，二是因?yàn)檩^大的生物量產(chǎn)生了較多的殘茬及分泌物，間接地增加了土壤有機(jī)碳量。單施化肥樣地中CO2排放量小且殘茬量較大，但因?yàn)槭┯没什粫?huì)直接增加土壤有機(jī)碳，所以在土壤碳平衡中碳損失最大；單施有機(jī)肥樣地的呼吸作用最強(qiáng)，損失了大量的碳，而且生物量較低、殘茬還田量最少，但通過施用有機(jī)肥補(bǔ)充了大量的碳，所以土壤碳仍有盈余；而免耕、秸稈還田則是通過增大土壤殘茬量，減少土壤呼吸作用來達(dá)到減少碳排放的作用，效果非常明顯。因此，化肥有機(jī)肥配施、單施有機(jī)肥、免耕和秸稈還田等措施均有助于土壤有機(jī)碳的積累，應(yīng)大力提倡。

3.結(jié)論與討論

本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市典型試驗(yàn)區(qū)為例，分析了耕地不同管理措施下對(duì)土壤碳循環(huán)的影響。研究結(jié)果表明：（1）從耕地不同管理措施對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響來看，與對(duì)照數(shù)據(jù)相比，化肥有機(jī)肥配施處理顯著增加了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，其次為單施有機(jī)肥、免耕、秸稈還田，單施化肥效果最差。（2）從不同管理措施對(duì)土壤碳平衡的影響來看，如果考慮全年土壤CO2排放，在化肥有機(jī)肥配施和單施有機(jī)肥樣地中，土壤的碳平衡為正值，土壤每年盈余655.4和100.3kg C·hm-2，其他處理有機(jī)碳呈虧損狀態(tài)，單施化肥處理由于沒有有機(jī)肥投入，虧缺量最大，為2244.8kg C·hm-2，其次是對(duì)照數(shù)據(jù)，虧缺量為2070.8kg C·hm-2，免耕可大大降低土壤CO2排放，增加土壤中殘茬量，因而土壤有機(jī)碳虧損為1567.9kg C·hm-2，秸稈還田可增加殘茬量，減少土壤CO2排放，土壤有機(jī)碳虧損為1785.7kg C·hm-2。因此，應(yīng)通過采用科學(xué)合理的施肥策略，積極推廣測(cè)土培肥技術(shù)；大力推廣免耕技術(shù)；禁止燒荒，增加秸稈還田量等措施來減少耕地碳排放。

針對(duì)上述研究結(jié)論，本文提出如下耕地利用管制策略：

（1）采用科學(xué)合理的施肥策略，積極推廣測(cè)土培肥技術(shù)。有機(jī)肥和無機(jī)肥配合施用、單施有機(jī)肥均可以保持土壤有機(jī)質(zhì)平衡，增加土壤有機(jī)碳含量，但也要看到不同田塊間的差異，因此應(yīng)積極推廣測(cè)土培肥技術(shù)，即以土壤測(cè)試和肥料田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應(yīng)，在合理施用有機(jī)肥料的基礎(chǔ)上，提出氮、磷、鉀及中、微量元素等肥料的施用數(shù)量、施肥時(shí)期和施用方法。這樣既能夠提高土壤有機(jī)碳含量，又能夠提高肥料利用率，減少用量。

（2）大力推廣免耕技術(shù)。過度耕作使得土壤中的碳素大量釋放，因此應(yīng)摒棄傳統(tǒng)的犁鏵翻耕的耕作方式而大力推廣壟作免耕技術(shù)。一方面可以保存土壤中的碳含量，有利于土壤有機(jī)碳的固定，另一方面則可以減少農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用，有效減少化石燃料的燃燒，相應(yīng)減少溫室氣體的排放。近年來，巴彥淖爾市農(nóng)業(yè)部門在推廣免耕技術(shù)，增加秸稈還田方面做了很多工作，取得了不錯(cuò)的效果。例如，農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門在總結(jié)近幾年地膜二次利用技術(shù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)覆膜玉米后茬免耕直播向日葵栽培技術(shù)進(jìn)行了專項(xiàng)研究，研究表明，覆膜玉米后茬免耕栽培技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地膜重復(fù)利用、節(jié)本增效、減少污染、保護(hù)環(huán)境、種植效益好、現(xiàn)金回報(bào)率高的向日葵輪作倒茬，同時(shí)又減少土壤的物理損傷和表土流失，改善了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約柴油、化肥等農(nóng)用物資，根茬返還土壤，還可使土地肥力增加。今后應(yīng)進(jìn)一步抓好培訓(xùn)工作，幫助農(nóng)民掌握免耕種植的技術(shù)規(guī)程，積極爭(zhēng)取各方面的資金大力推廣免耕技術(shù)。

（3）禁止燒荒，增加秸稈還田量。內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)作物秸稈還田方式主要有直接還田、過腹還田、也有極少部分焚燒后還田。以巴彥淖爾市為例，作物秸稈直接還田量占秸稈資源利用總量的45.7%，過腹還田量占秸稈資源利用總量的52.1%，焚燒后還田占秸稈資源利用總量的0.8%。其中小麥直接還田方式主要為留高茬還田，玉米還田方式主要為過腹還田，其他作物如黑白瓜子、番茄、薯類、豆類秸稈等主要進(jìn)行機(jī)械翻壓還田，雜糧、部分薯類、豆類、油菜主要還田方式為過腹還田。為減少碳排放，今后應(yīng)全面禁止焚燒秸稈的陋習(xí)；開展秸稈還田實(shí)驗(yàn)，努力克服秸稈還田過程中可能產(chǎn)生的不良影響，增大秸稈還田比例，提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，防止土壤退化。

需要討論的問題是：（1）耕地不同管理措施下對(duì)碳循環(huán)的影響研究存在很多的不確定性因素。研究區(qū)、研究樣地的選擇不同，其土壤理化性質(zhì)、種植制度、耕作措施等都存在差異，進(jìn)而影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果；取樣方法不同，土層深度不同也會(huì)影響最終的研究結(jié)果。因此，需要將各類因素綜合考慮來客觀評(píng)價(jià)耕地不同管理措施對(duì)碳循環(huán)的影響。（2）本研究由于受條件所限，并沒有對(duì)耕地土壤碳組分進(jìn)行劃分，使得研究結(jié)果不夠精確。

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