农田土壤有机碳库的影响因素

农田土壤有机碳库的影响因素

随着人类活动和岩燃料的燃烧，工业区以来的碳规模的coa-#1增加到当前的380mol-1，预计在21世纪末，碳规模mol-1的出现导致了一系列环境问题，如世界变化和环境问题，如世界变化。大气CO2浓度升高一方面能促进提高植物光合能力和增加对大气CO2吸收,从而增加输入土壤的碳量,使土壤成为一个潜在的碳汇,增加了土壤的固碳能力;但另一方面,CO2浓度升高条件下土壤中有机碳量的增加,为微生物的生长提供了能量,增强了其活性,土壤呼吸增强,土壤碳输出增加,可能引起土壤碳库含量下降。农田土壤有机碳库直接影响作物产量和土壤肥力的高低,因此增加农田土壤碳库储量,对于降低大气CO2浓度、提高土壤质量、提高粮食产量具有重要意义。土壤有机碳动态变化不但受温度、降水和大气组分等气候因素的影响,也受土壤环境和农业耕作管理措施的影响。而通过改进和优化农业耕作措施,可以减少农田土壤的CO2净排放,增加土壤有机碳贮量。保护性耕作就是其中的一种。保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术,保护性耕作主要包括免耕和少耕2个方面,并用作物秸秆覆盖地表,以减少风蚀、水蚀,提高土地肥力和抗旱能力,从而减少碳损失和提高土壤固碳能力。免耕,就是完全取消铧式犁耕翻,并且不进行其它土壤作业。目前美国、澳大利亚已基本取消了铧式犁翻耕作业。实行免耕的农场使用的农业机械仅有3种,即播种机、喷雾植保机械和联合收割机。这种“免耕法”是保护性耕作的较高形式。而少耕,就是在取消犁耕的基础上,为保证播种和疏松土壤、除草等农事而保留少量土壤作业(国外称之为“少耕法”),其要点是减少耕作次数和强度。这种“少耕法”是传统耕作向“免耕法”转化的过渡型保护性耕作形式。少耕主要包括深松、浅松及浅旋、浅耙等耕作。有较多文献资料表明,保护性耕作条件下,农田土壤碳库呈现出增长的趋势。本文综述了保护性耕作对土壤固碳速率和固碳潜力的影响,并从碳输入、碳分解和碳固持3个方面阐述保护性耕作影响土壤固碳的机制。1长期农业支持农业免耕的农田土壤有机碳营造技术土壤固碳是指通过采用相应管理措施提高土壤中有机和无机碳含量,将大气中的CO2固持在土壤碳库中,而目前农田土壤固碳的研究主要集中在土壤有机碳。传统耕作方式使土壤有机碳失去保护暴露出来,加速土壤有机碳的分解,而土壤有机碳含量的减少将直接导致土壤肥力下降,影响农业生产力和土壤固碳能力。土壤有机碳库的平衡由输入和输出2方面的因素共同决定。因此,土壤固碳可以通过以下2类途径来实现,(1)通过提高作物的生物量来增加土壤碳库输入,(2)通过减少干扰等途径降低农田土壤碳的分解,保护性耕作即通过这2类途径来促进土壤有机碳的积累和提高土壤固碳能力。J.He等长达11年的定位试验研究发现,长期免耕土壤表层(0~10cm)的有机质比翻耕增加16.1%,免耕不同土层(0~10、10~20和20~30cm)的有机质质量分数分别为16.6、13.9和10.2g·kg-1;而翻耕的分别为14.3、13.2和10.3g·kg-1。Ben等选择2个点进行短期(4年)定位实验,研究得出,在免耕条件下2个点的土壤有机碳均比翻耕有所增加,增加幅度为10%~22.22%。少耕表层土(0~5和5~20cm)的土壤有机碳质量浓度分别为25.4和22.7mg·cm-3;而传统耕作分别为21.9和22.0mg·cm-3。Melero等经过8年的定位试验发现,传统耕作的土壤有机碳比少耕23%。土壤经过多年传统耕作后,有机质含量下降到不足原始含量的50%。与此同时,许多国家和地区对应用免耕和少耕等保护性耕作措施的农田土壤固碳潜力进行了大量的研究,结果表明,单位面积的平均固碳潜力各国家和地区之间相差不多,在80~380kg·hm-2·a-1之间(以C计算),国内研究表明,在我国农田采用免耕的固碳速率在157~390kg·hm-2·a-1之间(以C计算),当前推广411.9万hm2,固碳潜力为0.8Tg·a-1(以C计算),中短时间尺度内如果将实施面积扩大到2040万hm2,固碳潜力将提升到4.6Tg·a-1(以C计算)。R.Farina等对长达30年的定位实验研究得出,免耕措施在(0~100cm土层)30年内固碳范围在0.03~0.2t·hm-2·a-1。López-Fand等通过长期定位试验(17年)研究发现,免耕土壤中有机碳的累积比少耕和翻耕多5.8和7.6mg·hm-2。据估算,世界农业土壤通过适当的农业管理措施,每年能使土壤碳库提高0.4~0.9PgC,持续50年,土壤碳库累积增加24~43PgC。2碳输入和碳分解的关系土壤有机碳库的储量是一个动态平衡的过程,由碳输入,碳分解和碳固持3方面的因素共同决定。碳输入包括作物根系和作物秸秆等有机投入物;碳分解主要通过土壤各种微生物的途径;而碳固持主要由土壤团聚体来完成。2.1土壤表层根系生长和秸秆生物活性作物残体是输入土壤的重要碳源,可以简单分为2个部分____作物根系和作物秸秆。保护性耕作刺激了土壤表层根系生长和活性,根生物量增加,这些变化都直接影响到土壤碳库的变化;作物秸秆及凋落物也是输入土壤的重要碳源,对土壤碳库有重要影响。2.1.1不同处理的根长和根重变化作物根系是作物残体的重要部分,免耕方式对作物根系,特别是对土壤表层的作物根系有重要影响。与翻耕相比,免耕作物的根系更易于横向发展,而非纵深发展,从而影响土壤表层根系的生长和活性,以及单位体积根长和根重等根系指标。这些变化直接影响到土壤表层土壤碳的变化。免耕水稻比常耕水稻根系活力提高7.4%~34.9%。不施肥、单施化肥、单施玉米秸秆堆肥、化肥+玉米秸秆堆肥芥菜在收获期根系活力170.4、174.11、195.59和228.56μg·g-1·h-1,化肥+玉米秸秆堆肥处理根系活力分别比其他处理高34.13%、31.27%和16.86%。在0~10cm土层两年累加的单位体积根长免耕田块明显高于翻耕田,分别为17和7km·m-3,增幅为142.86%;单位体积的根质量在0~10cm土层免耕田块也是显著高于翻耕田,分别为2.73kg·m·m-3和1.94kg·m-3,增幅为40.7%。Martínez等的研究也证实了这一点,他们发现土壤表层(0~5cm)小麦根系在3个生育阶段两叶期、扬花期和灌浆期(播种后40、117和131d)单位体积的根长免耕显著高于翻耕,分别为3.43、14.3、9.53cm·cm-3和1.34、6.70、5.22cm·cm-3,增幅为156.0%、134.4%和82.6%。韩钢钢研究显示,无论是免耕还是翻耕移栽,单蔸根干重在成熟期均随着施氮量的增加而增加,免耕移栽单蔸根干质量分别为7.47、14.48、16.41、12.16和18.84g·蔸-1,比翻耕移栽增10.0%、14.6%、9.2%、26.4%和1.0%。吴建富等通过3年定位试验,对免耕抛秧、翻耕抛秧和翻耕移栽试验研究发现,免耕抛秧早稻和晚稻的单株根重(土层为0~5cm)分别为2.95和4.99单株根质量/g比翻耕抛秧和翻耕移栽增加11.3%和25.1%、26.7%和83.9%;总体来看,免耕抛秧的单株根重比翻耕抛秧和翻耕移栽增加20.5%和56.6%。从以上文献统计发现,保护性耕作能显著提高的作物根系生物量,提高范围在1.0%~142.9%,这些根系在土壤中为土壤有机碳库的累积起到积极作用。2.1.2秸秆还田对土壤碳库的影响秸秆还田是保护性耕作的重要内容之一,秸秆还田不但能够改善土壤团粒结构,增加土壤养分,改善土壤理化性状,增强土壤微生物和酶活性,还可以补充和平衡土壤养分减少土壤风蚀、水蚀和无效蒸发;秸秆中的养分进入土壤后,可以促进作物的生长并间接增加作物对土壤的碳输入。国内外研究指出,秸秆还田可能是最具前景的农田土壤固碳措施之一,但秸秆还田在各国家和地区固碳效果不同,一方面是由于各地秸秆还田量不同,另一方面不同地区的温度、湿度、土壤等因素都会影响秸秆碳转化为土壤碳的效率。研究表明,在不同的气候、土壤、耕作、养分条件下,还田秸秆中8%~35.7%的碳以土壤有机碳(SOC)的形式在土壤碳库中保存下来。对于提高土壤有机碳含量,免耕结合秸秆还田能够取得更好的效果。通过对少耕、翻耕、少耕秸秆还田和翻耕秸秆还田的对比试验得出,少耕处理有机碳含量比翻耕(在0~15cm土层)提高了14.5%;就秸秆还田而言,少耕秸秆还田比翻耕秸秆处理分别提高19.4%;少耕秸秆还田比少耕提高9.8%、,翻耕秸秆还田比翻耕提高5.3%。在0~60cm的土层,少耕秸秆还田比少耕、翻耕和翻耕秸秆还田分别提高4.5%、19.5%和9%。朱强根等发现,与土壤本底值相比,免耕处理对土壤有机质有明显的改善作用,且有机质随施秸秆量增加而增加。而免耕、旋耕和翻耕3种耕作措施并配合秸秆还田的不同方式对比试验,研究发现,在0~30cm的土层,免耕秸秆还田均高于旋耕秸秆还田、传统翻耕和传统翻耕秸秆还田,在免耕秸秆还田几组处理中,以秸秆粉碎还田最高、其次为高茬和覆盖还田。采不同种类作物秸秆的还田来对土壤有机质的影响,研究显示,无论哪种秸秆还田的土壤有机质与对照均显著增加。2.2第2阶段是真菌分解转化的过程各种植物残体在土壤中的分解过程通常可以分为2个阶段。第1阶段是快速分解过程—植物残体初期分解转化形成土壤微生物及其代谢产物。第2阶段是缓慢分解过程—第1阶段未分解的木质素等较难分解的物质由真菌继续分解或就此在土壤中存留下来。土壤有机质的降解速度除了与环境因素和有机物的质地有关外,还直接取决于土壤微生物的生物量、群落结构及其活性。2.2.1不同土层免耕碳量的变化土壤微生物生物量碳是土壤有机碳中活性较高的部分,土壤微生物量碳含量能敏感地反映易变碳库的变化。而土壤中微生物量碳主要来源于作物残体、根系分泌物以及有机肥料的输入。积累量与输入量的不同,土壤微生物得到的碳源数量和质量不同,使得土壤微生物量碳在不同耕作措施下表现出较大的差异,向土壤中添加有机物也会引起土壤微生物生物量的改变。在翻免耕措施下配合不同的施肥方式(不施肥、施尿素和控制尿素释放肥)研究显示,在这几种不同施肥管理条件下,免耕的微生物碳质量分数分别为677、695和603mg·kg-1,比翻耕高21.1%、12.8%和-10.1%,但总体来看,免耕比翻耕增加7.0%。而在翻免耕措施下配合不同作物的轮作方式(大豆连作和玉米大豆轮作),通过PLFA(磷脂脂肪酸)方法研究显示,免耕连作和免耕轮作的总生物量为174和190.04nmol·g-1土,分别比翻耕的高9.7%和-3.7%,总体而言,免耕比翻耕高2.2%。经过8年的定位试验研究发现,免耕表层土(0~5cm)的微生物碳比翻耕多23.5%,L.C.Babujia等同样采用定位试验(定位年限为20年),研究表明,在0~5、5~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60cm不同土层取样,得出7个土层免耕处理的微生物量碳比翻耕分别高87.3%、40.4%、63.6%、52.9%、13.4%、-8.8%和-18.8%,在0~60cm的土层免耕(以C计算)为2.95mg·hm-1比翻耕增加34.7%。Y.Feng等通过长期定位(年限15年)试验研究显示,3个取样时期(同年的2、5和10月)免耕处理的微生物量碳比翻耕分别高60%、140%和75%。免耕配合秸秆覆盖与传统耕作相比,使表层土壤的微生物量碳增加了78.4%。国内的徐阳春对经16年32茬连续处理后的田块研究表明,免耕0~5cm土层微生物生物量碳比常规耕翻增27.4%。国内外的研究结果均表明保护性耕作能够增加土壤微生物的生物量,有利于有机碳库的增加。2.2.2不同免耕期土壤表层土壤真菌和细菌比率土壤微生物一般分为3个类群:细菌、放线菌和真菌。对有机质的分解有2条途径,即真菌途径和细菌途径。以细菌分解途径为主导的土壤,有机质降解快,氮矿化率高,不利于有机碳的固持。以真菌途径为主的土壤,氮和能量转化比较缓慢,有利于有机质存贮和氮的固持。在不同的耕作条件下,土壤微生物的群落结构有所不同。Treonis研究发现,免耕改善了土壤表层的真菌和细菌比率,他采用随机区组设计,分为翻耕、免耕、翻耕加有机物和免耕加有机物4组对比处理,土壤微生物群落结构采用PLFA方法测定,试验结果显示,免耕真菌和细菌比率为0.75、而翻耕为0.67,提高了11.9%;而免耕田块(免耕和免耕加秸秆)土壤真菌和细菌比率比翻耕田块(翻耕和翻耕加秸秆)总体提高2.7%。在长期免耕(年限为40年)的条件下,0~10cm土壤表层的真菌量为16.19nmol·g-1土比翻耕提高59.2%;而在10~20cm的土层免耕真菌的量为4.72nmol·g-1土比翻耕提高40.1%,真菌和细菌免耕比为0.52,翻耕为0.44,免耕较翻耕增加18.2%。Doran研究显示,免耕条件下土壤表层的真菌占优势,而常规耕作下是细菌占优势。Calla发现浅耕表层土壤真菌数量比翻耕多1/3~1/2,但是细菌和放线菌数量没有显著的差异。这些研究都说明保护性耕作改变了土壤微生物群落结构,提高了真菌的比例,而真菌比细菌含有较高的碳,对土壤碳库积累有积极的影响。2.2.3免耕防治效果研究土壤呼吸作用强度是土壤微生物量总的活性指标,包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤动物呼吸和土壤矿物质的化学氧化过程,当土壤受到耕作扰动时,改变了分解作用的条件,加快了土壤呼吸速率。在翻免耕措施下配合不同施肥方式(不施肥、施尿素和控制尿素释放肥)研究得出,在这几种不同施肥管理条件下,免耕微生物新陈代谢熵分别为11.4、15.4和10.4μgCO2-Cmg-1MBCh-1,比翻耕分别低47.5%、-11.6%和21.8%,但总体来看,免耕比翻耕降低23.8%。S.Heinze等人则采用犁耕(30cm)和旋靶(8cm),同时选取2个试验点作为研究对象(Garte和HohesFeld)),研究显示,在Garte试验点旋靶新陈代谢熵为42μgCO2-Cg-1biomassCd-1,比犁耕降低2.3%,在HohesFeld旋靶比犁耕降12.5%。Treonis发现,免耕田块(在0~5cm土层)土壤呼吸(以CO2计)为1.161μmol·d-1·cm-3,比翻耕、翻耕加有机物和免耕加有机物降分别低19.3%、54.4%和58.3%;而就免耕田块(免耕和免耕加秸秆)土壤呼吸比翻耕田块(翻耕和翻耕加秸秆)总体降低0.9%。Elder采用采用静态箱法测量土壤气体,试验结果显示,犁耕和免耕的CO2流量分别为(6.17±0.83)和(5.18±0.65)gm-2·d-1,每年的CO2流量(以C计)分别为22.5和18.9mg·hm-2·a-1。La也发现,犁耕最高、少耕其次、免耕最少。高会议采用对比设计,休闲田(F)、不施肥(CK)、有机肥(M)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)和氮磷有机肥(NPM)6组处理,试验结果显示,在1d之内土壤呼吸速率由大到小的顺序为NPM>M>NP>N>CK>F,从返青期到收获期土壤平均呼吸速率,还是有机肥处理(NPM,M)>(化肥处理(N,NP)>对照处理(CK,F),CK处理为(以CO2计)1.8μmol·m-2·s-1,CK处理较N处理降低14.4%、NP处理降低25%,有机肥处理(M,NPM)降低40%。由上可知,无论采取何种研究方法,一致认为免耕显著降低土壤的呼吸强度,降幅在0.9%-72.6%之间,降低土壤呼吸强度,减少CO2的释放,对提高有机碳库意义重大。2.3不同免耕措施对土壤团聚体的影响土壤团聚体是土壤养分的“贮藏库”,其数量的多少,与土壤中碳含量有着密切的联系,也一定程度上反映了土壤供储养分能力的高低。一般把大于0.25mm的团聚体称为土壤团粒结构体,其数量与土壤的肥力状况呈正相关。根据团聚体形成的多级团聚理论,微团聚体(直径<0.25mm)聚合形成大团聚体(直径>0.25mm),大团聚体破碎形成小团聚体,二者既互为基础又互为消长。大团聚体主要是由有机残体和菌丝胶结形成,微团聚体主要是由多糖或无机胶体胶结形成。传统的耕作措施能破坏团聚体,将团聚体中的有机碳释放出来,被微生物更加方便的利用。保护性耕作可以减少对土壤团聚体的破坏,而还田的秸秆中含有的多糖成分能促进团聚体的形成,团聚体的形成又会对有机碳起到更多的保护作用,使土壤有机碳维持在更高水平,WangY等研究显示,在免耕条件下0~5cm土层(>2000μm)的土壤团聚体比翻耕高出91.0%;而在10~15cm土层)的土壤团聚体为(295±94)g·kg-1干土,而翻耕为(99±25)g·kg-1干土,增幅高达198.0%;免耕耕作措施下土壤中直径为2~4mm、1~2mm、500~1μm和250~500μm土壤团聚体含量分别比翻耕增加17.6%、-12.0%、3.0%和8.4%;总体来看,直径大于250μm土壤团聚体免耕比翻耕增加6.4%。而在2~4mm、1~2mm、500μm~1mm、250~500μm和<250μm土壤团聚体中所含的细菌量和真菌量免耕均比翻耕高。在0~6、6~12和12~18cm土层,单位质量的土样在≥4、1~4和≤1mm的团聚体中,免耕和翻耕措施下≥4mm的团聚体的比例最高,其次是1~4和≤1mm,但这3个土层在免耕措施下≥4mm的团聚体占的比例均高于翻耕;而且还发现免耕措施下1~2、≤1和≥4mm的团聚体中(在0~18cm土层)所含的碳分别为14.1、13.9和11.4g·kg-1土,翻耕为9.9、9.4和8.4g·kg-1土。周虎等发现,免耕显著地提高了0~10cm土层内大于0.25mm的团聚体的数量,使土壤团粒结构体的数量增多;而用湿筛法测出,免耕处理下0~30cm土层的水稳性团聚体数量均大于30%,免耕处理0~5和5~10cm层土壤团聚体的团聚状况也均好于旋耕和翻耕处理。油菜免耕、厢作免耕、绿肥免耕、垄作翻耕和厢作翻耕0~10cm土壤大团聚体分别比对照(传统耕作)增加23%、69%、9%、36%和28%,这可能是因为经常耕翻搅动了土壤结构,使团聚体被挤压破碎;此外耕翻加快土壤有机质分解,影响了团粒结构体的形成,从而降低土壤有机碳固持水平。2.3.2土壤的免耕比翻耕高mwd研究发现,大团聚体比小团聚体含有更多的碳、氮、颗粒有机质和不稳定有机质,MWD(平均重量直径)和GMD(几何平均直径)是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标。MWD和GMD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高,稳定性越强。大于2mm水稳定性团聚体比例对MWD有十分重要的影响,MWD随大于2mm水稳定性团聚体比例增加而显著增加,而在免耕条件下明显高于翻耕。少耕表层土(0~5和5~20cm)的MWD分别为3.03和1.94mm;而传统耕作分别为2.14和1.60mm。Obalum通过翻免耕(并配合秸秆覆盖和不覆盖)对比试验研究,免耕秸秆不覆盖和覆盖的条件下连作高粱,土壤MWD分别为2.5和2.2mm,比翻耕增高25%和减少8.5%,就免翻耕来看,免耕比翻耕高6.8%;但在连作大豆的条件下,土壤MWD分别为1.5和1.5mm,比翻耕减少6.3%和增高36.4%,就免翻耕而言,免耕比翻耕高11.1%;而在高粱和大豆互作下,免耕秸秆不覆盖和覆盖土壤MWD分别为2.2和2.9mm,比翻耕增加-21.4%和7.4%,免耕比翻耕降低7.3%;但总的研究得出,免耕的土壤MWD比翻耕高1.6%。Green等也发现,免耕的MWD最高,耙田其次,耕田最低。在0~10、10~20和20~30cm不同深度的MWD和GMD免耕均高于翻耕;而且还发现在0~10cm的土层MWD和GMD与土壤中有机碳呈极显著正相关。E.Martínez等人也证实了这一点,免耕的MWD明显高于翻耕,研究发现,翻耕4年(在0~2、2~5和5~15cm土层)土壤的的MWD分别为0.54、0.56和0.81mm,免耕分别为2.19、1.29和1.36mm;而翻耕七年的分别为0.34、0.35和0.41mm,免耕为2.79、2.32和1.54mm。以上说明采用免耕的方式有利于MWD和GMD的增加,而表层更有利于MWD和GMD的增加,即有利于土壤有机碳库的累积。3加强长期发展研究和模型研究土壤是仅次于海洋的全球第2大有机碳库,而农田土壤有机碳库也是地球表层系统中最大、最具有活动性的生态系统碳库之一,对维持全球碳平衡具有重要意义,近年来国内外越来越重视农田保护性耕作方式对土壤碳库的源汇效应,因此农田耕作方式的不同导致农田土壤有机碳库的变化是研究的热点。目前尽管关于保护性耕作方式对农田土壤有机碳库影响已经取得了大量的研究成果,但由于地上因素和地下因素的复杂性,以及对其研究手段方法的局限,今后的研究应该在如下几方面加强。(1)加强区域性对比研究。因为不同地区不同气候条件下,不同作物种植方式下,免耕对农田土壤碳库的影响都是不同的。因此,有必要开展系统的对比研究,也为下一步精确