黄土高原旱作农业区保护性耕作下农田碳汇与稳产机制研究

农业系统是一个巨大的排放系统，减少农业生产过程的碳排放，同时保证国家的粮食安全问题，是一个复杂的系统问题。已发现保护性耕作有一定碳汇作用，但对其作用机理研究不多见，特别是对黄土高原区旱作农业区还没有系统研究。为此，课题依托甘肃农业大学保护性耕作长期试验站（定西）进行保护性耕作碳汇机制研究。以秸秆覆盖、地膜覆盖、免耕等5种不同保护性耕作方式，采用禾本科－豆科轮作等耕作方式的土壤呼吸特征、土壤碳库变化以及农产品产量变化的研究，探索在保护性耕作的碳汇效应，探讨保护性耕作下土壤固碳和作物增产的机制。通过研究农田土壤生态系统碳源和碳汇、固碳与生产力保持的耦合机制，评估并明确黄土高原区土壤固碳稳产的潜力、幅度，评价和构筑农业固碳稳产的农田技术体系与管理调控途径，为该区建立农业固碳与生产力稳定的长效机制和温室气体减排的环境提供可靠的依据，并形成具地域特色的保护性耕作方式。

为探明黄土高原旱作农业区保护性耕作下农田碳汇与稳产机制，本研究依托设置于陇中黄土高原旱作农田豆麦双序列轮作系统的保护性耕作长期定位试验，共设4种耕作措施处理：传统耕作措施（T）、免耕（NT）、传统耕作+秸秆还田（TS）、免耕+秸秆覆盖（NTS）。通过2012-2015年的研究，从不同耕作措施下有机碳时空分布特征，碳组分分布特征，团聚体固碳特征，土壤肥力状况，温室气体排放特征以及作物产量等多维角度阐释了黄土高原旱作农业区保护性耕作下农田碳汇与稳产机制。结果表明：保护性耕作措施（免耕+秸秆覆盖、传统耕作+秸秆还田、免耕）较之传统耕作，可不同程度的提升0-30cm耕层土壤有机碳含量，且具有明显的分层现象，尤其是NTS处理，其对0-5cm和5-10cm表层土壤有机碳含量的提升效果最为明显。在豌豆农田中，较之T处理，NTS、TS、NT处理可分别提升0-30cm耕层土壤有机碳10.52%、4.83%、4.63%；在小麦农田中，较之T处理，NTS、TS、NT处理可分别提升0-30cm耕层土壤有机碳11.99%、12.10%、7.78%。但在30-80cm土层，四种处理有机碳含量按其大小排序为：T>TS>NT>NTS，同时，T处理下土壤有机碳含量随剖面变化幅度最小，尤其是在30-80cm土层。易氧化有机碳、微生物量碳、水溶性碳变化趋势基本与有机碳一致，在0-30cm各土层中，NTS处理含量最高，T处理最低；而在30-80cm各土层中，传统耕作措施易氧化有机碳、微生物量碳均高于三种保护性耕作措施。四种耕作措施下团聚体固碳特征基本相似，有机碳含量均随粒径的变大而降低，亦为(<0.25mm)>(0.25~2mm)>(2~5mm)>(>5mm)，这表明耕作措施对有机碳在团聚体中的分布影响较小；不同粒径团聚体中有机碳含量均以免耕+秸秆覆盖处理最高，传统耕作措施最低。通过2012-2015年对春小麦生育期温室气体的连续监测发现：较之T处理，保护性耕作措施可不同程度降低温室气体排放，其中NTS处理减排效果最为明显；与T处理相比NTS、NT和TS处理可分别平均减少CO2排放通量12.4%、9.9%和3.3%，平均减少CH4排放通量24.0%、13.0%和12.2%，平均减少N2O排放通量21.9%、14.5%和10.4%。全氮、全磷、碱解氮、速效磷在0-30cm耕层土壤中的分布特征与有机碳相似，而