耕作方式对华北平原麦玉两熟农田土壤有机碳的影响及其固碳潜力研究

不合理的土地利用方式和不适宜的管理措施造成土壤有机碳的大量损失，导致土壤质量下降和"温室效应"加剧，成为全球的热点问题，如何实现农田的节能减排也是目前我国研究关注的焦点问题。保护性耕作有利于土壤碳固定和温室气体的减排，已成为国际上重要的可持续农作技术之一。国内在耕作方式对温室气体排放及土壤有机碳的影响及管理上的研究比较薄弱，因此，研究耕作方式对麦玉两熟农田土壤有机碳固定和组分变化，揭示耕作方式对土壤有机碳的转化机制，并进行固碳潜力和碳效益评价对华北平原土壤碳的科学管理具有十分重要的理论和实践意义。本研究拟通过定点试验、区域调查和模型模拟，系统研究不同耕作方式下麦玉两熟农田土壤有机碳变化动态、组分变化及其影响因素，基本明确保护性耕作麦玉两熟农田土壤碳转化规律，客观评价不同耕作方式的固碳潜力，提出适于麦玉两熟农田的保护性耕作土壤碳管理策略，为华北平原土壤碳管理提供理论指导。

农田的固碳减排是缓解气候变化的重要策略，也是目前全球研究的热点问题。研究耕作方式对华北麦玉两熟农田土壤有机碳及其组分的影响，揭示不同耕作方式下土壤有机碳的转化机制，合理评价土壤固碳潜力和碳效益，对华北平原麦玉两熟农田土壤碳的科学管理具有十分重要的意义。本项目在华北麦玉两熟区，以免耕秸秆还田（NTS）、旋耕秸秆还田（RTS）、深松秸秆还田（DTS）、翻耕秸秆还田（CTS）和翻耕秸秆不还田（CT）定位试验为基础，探讨不同耕作方式下农田土壤有机碳及组分的变化规律、农田土壤固碳潜力和农田生态系统服务价值。结果表明：不同耕作方式对土壤有机碳含量及其储量的影响随土层深度的加深而表现出逐渐减小趋势，NTS 显著增加了0～10 cm层次土壤有机碳含量，而＞10～50 cm 有机碳含量较其他处理有所下降，＞50～110 cm各处理间差异不明显。0-110 cm剖面土壤有机碳减少趋势呈指数关系。0～30 cm 土层有机碳储量以NTS 最高，与其他处理间的差异达到最大，较其他处理增加了2.44-5.23 Mg hm-2，而至0～50 cm 土层，NTS 的碳储量虽最高，但与其他处理无显著差异（P＜0.05）。此外，有机碳含量及储量随着免耕使用年限的增长也表现出不断增加的趋势，而在CT下该现象不明显甚至表现出减少趋势。CT各碳组分含量均较低，而RTS和CTS、DTS分别增加了0-10和0-20 cm土层的有机碳组分含量，分布相对均匀。NTS仅显著提高了0-5 cm土层重组有机碳及颗粒有机碳含量（P<0.05），下层则明显低于其他秸秆还田处理，NTS的水溶性有机碳和易氧化有机碳含量均显著低于其他处理。综合耕作方式对农田生态系统服务价值和碳足迹影响发现，NTS均优于其他处理，且秸秆还田各处理均大于CT，表现出较高的碳效率。利用DNDC模型模拟耕作方式100年内的土壤固碳潜力，CTS和RTS在15年内呈现剧烈增长趋势，之后逐渐趋于平稳，而NTS的土壤有机碳含量快速增长趋势要持续近40年，并在60年后达到稳定。因此，在华北平原采用保护性耕作措施能够增加有机质输入，改善表层土壤质量，提高上层土壤有机碳储量。总之，本研究明确了保护性耕作在华北平原的固碳减排的能力，阐明了有机碳的时空变化趋势，可以为该区采用合理的土壤碳库管理耕作方式，应对气候变化提供重要的理论支撑。