不同耕作措施下土壤有机碳含量的模拟研究

应用甘肃农业大学定西旱农综合试验站的2001-2008年长期定位实验数据对DNDC模型进行验证,4个处理的相对误差均小于±10%,均方根误差在6.41%~12.96%之间,模型模拟值与实测值表现出较强的一致性,证明DNDC在模拟预测该地区土壤有机碳储量上是可行的。对定位试验的4个处理的长期(100 a)模拟表明,免耕覆盖秸秆(NTS)和传统耕作+秸秆还田(TS)能够较大幅度地提高土壤有机碳含量,其土壤有机碳含量分别较初始值增加了74.76%和71.13%,免耕(NT)处理下土壤有机碳含量增加了39.18%,趋势较为平缓。而传统耕作不覆盖(T)处理下土壤有机碳呈下降趋势,较初始值减少了35.54%。土壤有机碳含量对土壤性状以及耕作管理措施变化的响应模拟研究表明,秸秆还田和施用有机肥是最有效的提高土壤有机碳含量的耕作措施,而土壤性状,尤其是初始有机碳含量是影响土壤有机碳变化的最主要敏感因素。DNDC模型模拟得出,实行秸秆覆盖或还田及免耕等耕作措施将有效持续地增加土壤有机碳含量,提高土壤的可持续利用能力。     

保护性耕作对后茬冬小麦土壤CO2和N2O排放的影响

为研究保护性耕作对后茬冬小麦土壤CO2和N2O排放的影响,在前茬进行常规耕作(T)、免耕(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)、常规耕作+秸秆施用(TS)这4种处理,采用静态箱-气相色谱法分析土壤CO2和N2O排放通量.结果表明,保护性耕作没有改变后茬土壤CO2和N2O排放的季节性规律,对冬小麦生物量无明显影响;保护性耕作显著减少了土壤CO2和N2O累积排放量.与T相比,TS、NT、NTS的全生育期土壤CO2累积排放量分别降低了5.95%(P=0.132)、12.94%(P=0.007)和13.91%(P=0.004),土壤N2O累积排放量分别减少了31.23%(P=0.000)、61.29%(P=0.000)和33.08%(P=0.000).本研究表明免耕与秸秆施用能减少后茬作物生长季土壤的CO2和N2O排放量.     

耕作和秸秆覆盖对苹果园土壤水分及养分的影响

为了揭示土壤耕作和秸秆覆盖对苹果园土壤保蓄水性能及土壤肥力的影响,研究设置了以土壤耕作(免耕、翻耕、旋耕)为主处理,秸秆覆盖(秸秆覆盖、无覆盖)为副处理的裂区试验,对比分析了各处理果园土壤水分贮量、土壤肥力等性状。结果表明,免耕裸地与翻耕裸地处理的保蓄水效应在果树不同生长期表现不同,在5月份免耕裸地处理1 m土层内土壤贮水量高于翻耕裸地处理,而在10月份免耕裸地处理显著低于翻耕裸地处理;秸秆覆盖各处理1 m土层内土壤贮水量均明显高于无覆盖各处理,耕作与秸秆覆盖相结合在整个土壤水分测定过程中均以免耕秸秆覆盖土壤贮水量最高且较稳定;耕作与秸秆覆盖相结合显著提高了有机质含量,土壤速效肥含量明显增加,各处理以翻耕秸秆覆盖及免耕秸秆覆盖土壤养分含量为最高。在渭北洛川苹果生产基地,采用免耕秸秆覆盖技术能起到较好的保蓄水作用,土壤肥力明显增加。     

短期保护性耕作措施对大豆-冬小麦轮作系统温室气体排放的影响

通过田间试验,在大豆和冬小麦生长季,进行常规翻耕(conventional tillage,T)、免耕(no-tillage with no straw cover,NT)、常规翻耕+秸秆(conventional tillage with straw cover,TS)、免耕+秸秆(no-till with straw cover,NTS)4种耕作措施处理,采用静态箱-气相色谱法测定土壤-作物系统CO_2和N_2O排放通量.结果表明:在大豆生长季,与T相比,NTS在开花-结荚期显著增加了CO_2累积排放量(P=0.045),增幅达27.9%;NT在鼓粒-成熟期显著降低了CO_2累积排放量(P=0.043),降幅达28.9%.与T相比,NT在鼓粒-成熟期的N_2O累积排放量降低了28.3%(P=0.042).在冬小麦生长季,与T相比,TS、NT在拔节-孕穗期使CO_2累积排放量降低了24.3%(P=0.032)和36.0%(P=0.041),在成熟期降低了26.8%(P=0.027)和33.1%(P=0.038).在返青期,NT、NTS、TS的N_2O累积排放量与T比较均没有明显差异,NTS比NT的N_2O累积排放量降低了42.0%(P=0.035).可见,保护性耕作措施对土壤-作物系统CO2排放的影响较大,对N2O排放的影响不明显.     

耕作深度调控秸秆还田对农田土壤呼吸的影响

秸秆还田和耕作深度处理是影响农田土壤呼吸最重要的农业管理措施之一,但二者交互作用影响农田土壤呼吸的机制尚不清楚.基于此,针对中国的旱地农田生态系统,利用已发表的116篇研究论文,借助Meta分析技术,探究秸秆还田和耕作深度处理及其二者交互作用对农田土壤呼吸的影响及其调控因素,为农田生态系统实现“碳中和”提供重要的数据支撑和理论依据.结果表明,免耕导致土壤呼吸减少了8.3%,而浅耕和深耕处理对土壤呼吸的影响不显著,但对土壤呼吸的增加量仍呈现出深耕>浅耕>免耕的趋势.虽然,浅耕和深耕对土壤呼吸和土壤有机碳（SOC）的影响均相对较小,但是免耕导致土壤呼吸减少了8.3%的同时却又导致SOC增加了7.05%,因此实施免耕措施对农田土壤固碳减排具有重要意义.此外,耕作深度会显著调控秸秆还田对土壤呼吸的影响,且土壤呼吸的增加量呈现出深耕秸秆还田>浅耕秸秆还田>免耕秸秆还田的趋势,整体平均增加了14.51%.秸秆还田后不同深度耕作处理下土壤呼吸的增加量与土壤容重、农作物产量、土壤有机碳、以及土壤温度和水分的改变量密切相关,且对土壤呼吸增加量的贡献呈现出土壤容重>农作物产量>土壤有机碳>土壤水分>土壤温度的趋势.虽然SOC在深耕秸秆还田、浅耕秸秆还田和免耕秸秆还田处理下分别增加了29.32%、10.12%和23.94%,但是土壤呼吸在深耕秸秆还田和浅耕秸秆还田处理分别增加了29.32%和18.92%,而在免耕秸秆还田处理下仅增加1.2%.所以,免耕秸秆还田也有利于农田土壤固碳减排.因此,在中国的旱地农田生态系统中,耕作深度会调控秸秆还田对土壤呼吸的影响程度,而这种调控主要与土壤理化性质有关,尤其与土壤容重关系最为紧密,且免耕和免耕秸秆还田均是有利于农田土壤固碳减排的重要农业管理措施.     

保护性耕作对土壤结构体碳氮分布的影响

以7年不同耕作的定位试验为研究对象,研究了深松、旋耕、免耕等保护性耕作对关中塿土小麦-玉米轮作条件下土壤结构体分布以及结构体中有机碳和全氮含量、储量的影响。结果表明,与传统耕作相比,深松、旋耕、免耕以及秸秆还田+传统耕作均提高了5 mm粒级结构体的含量。随着土壤结构体粒径的增大,结构体有机碳含量逐渐减小,有机碳含量在0.25 mm结构体中平均含量为10.87 g/kg,在5 mm结构体中平均含量为9.57 g/kg。在0.25 mm的各粒级结构体中,全氮含量也随着结构体粒径的增加而减小。深松和旋耕处理较免耕和传统耕作更有利于结构体中有机碳、氮含量的增加;深松和旋耕比较,深松更有利于2 mm结构体碳氮含量的增加。相关分析表明,土壤碳氮含量和较小粒级(2 mm)结构体的碳氮含量之间的相关性最好。从有利于结构体保持和有机碳、氮储量增加的角度考虑,深松和旋耕是当地较理想的耕作方式。     

不同量秸秆覆盖还田对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

为探明渭北旱塬不同秸秆覆盖量对春玉米田土壤活性有机碳(LOC)、 碳库管理指数(CMI)和作物产量的影响,于2007—2010年在陕西合阳县旱农试验站进行定位试验,以不覆盖为对照(CK),设置了3个水平秸秆覆盖量处理:4 500 kg/hm²(S1)、 9 000 kg/hm²(S2)和13 500 kg/hm²(S3)。结果表明,0~20 cm土层,与CK相比,S1、 S2和S3总有机碳(TOC)质量分数分别提高5.08%、 14.12%和28.03%(P<0.05);活性有机碳(LOC)分别显著提高19.20%、 44.02%和23.50%(P<0.05);碳库管理指数(CMI)分别显著提高20.94%、 46.86%和50.21%(P<0.05)。春玉米产量分别与LOC和CMI显著相关(P<0.05),而与TOC则无显著相关性。研究表明,LOC和CMI较TOC更能灵敏、 客观地反映渭北旱塬不同量秸秆覆盖还田对土壤碳库质量的影响,且秸秆覆盖量以9 000 kg/hm²为宜。     

不同土壤耕作方式下秸秆还田量对晚稻土壤养分与微生物的影响

在耕翻、少耕和免耕条件下研究了早稻秸秆还田量对晚稻土壤养分与微生物的影响,结果表明,①秸秆还田显著提高土壤有效磷和速效钾含量,对土壤碱解氮含量的提高体现在水稻生育后期;秸秆还田对土壤碱解氮和有效磷含量的提高效果在免耕条件下最好,而对速效钾含量的提高效果在少耕条件下最好;②不同耕作方式下宜实行不同秸秆还田量,就提高有效磷和速效钾含量而言,耕翻和少耕条件下宜实行全部秸秆还田,而免耕条件下宜实行2/3秸秆还田;③秸秆还田使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少,放线菌和好气性细菌数量增加;耕翻使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少,好气性细菌数量增加;④土壤耕作有利于晚稻生育前期与后期土壤微生物活度的提高,秸秆还田量对土壤微生物活度的影响在不同耕作方式下表现不同,耕翻条件下以2/3还田量处理的土壤微生物活度最高,而少免耕条件下1/3还田量处理最高.     

垄作秸秆覆盖下西南地区蚕豆田土壤呼吸与有机碳特征

土壤呼吸是土壤有机碳库输出的主要途径,为探讨垄作和不同秸秆覆盖量对旱三熟蚕豆田土壤呼吸及有机碳特征的影响,测定了平作无覆盖(T)、垄作无覆盖(R)、垄作+半量覆盖(RS1)、垄作+全量覆盖(RS2)这4个处理下的西南紫色土丘陵区蚕豆/玉米/甘薯旱三熟体系中蚕豆田土壤呼吸及有机碳变化,分析了土壤温度和水分与土壤呼吸的关系.结果表明,蚕豆生长季节农田土壤呼吸随作物生长一致,呈先增加后减弱的变化趋势,全生育期平均土壤呼吸速率差异显著,表现为RS2RS1TR,分别为3.365、2.935、2.683、2.263 g·(m~2·d)~(-1).垄作显著降低了蚕豆农田土壤呼吸速率,而秸秆覆盖显著提高土壤呼吸速率,且随着覆盖量的增加而增加.土壤呼吸速率随土壤温度(5 cm和10 cm)呈指数型增长,10 cm处的回归模型明显好于5 cm.10 cm土层Q10值表现为RS2RS1RT,分别为1.751、1.665、1.616、1.35.垄作和秸秆覆盖下土壤温度、水分与土壤呼吸速率的混合指数模型可以解释土壤呼吸速率变异的68%(R)、79%(RS1)和76%(RS2).垄作和秸秆覆盖下0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤有机碳含量均得到不同程度的提高,且随着覆盖量的增加而增加,其中5~10 cm、10~20 cm土层表现为RS2RS1RT,差异达显著水平,且5~10 cm土层有机碳含量增幅最大;但垄作和秸秆覆盖仅显著提高了颗粒有机碳0~30 cm加权平均值,对颗粒有机碳占土壤有机碳比例的影响效应不显著.     

保护性耕作对玉米田土壤中除草剂残留的影响

保护性耕作能够显著提高土壤有机质,改善土壤质量,但是关于保护性耕作如何影响农药等污染物在土壤中残留的研究却较为匮乏,而土壤污染又与粮食安全息息相关.因此,选择7个实验地点,针对传统耕作与保护性耕作两种耕作方式下土壤中3种除草剂(乙草胺、阿特拉津和二甲四氯钠)残留特征进行了分析.结果表明,保护性耕作显著影响土壤的总有机碳含量、土壤含水率和土壤团聚体平均粒径等性质[使(2.1±0.1)%、(19.1±1.2)%和(82.2±3.0)μm分别增加至(2.9±0.3)%、(22.3±1.5)%和(97.2±4.2)μm].研究进一步发现,保护性耕作对不同除草剂在土壤中残留的影响存在差异性.例如,保护性耕作通过影响土壤总有机碳含量显著增加东丰试验田土壤中阿特拉津的含量[使(3.8±0.3)ng·g^-1增加至(17.7±3.0)ng·g^-1],通过影响土壤团聚体平均粒径显著降低德惠试验田土壤中乙草胺的含量[使(50.6±10.3)ng·g^-1降低至(9.2±2.5)ng·g^-1].然而,由于不同土壤性质对土壤中...     

不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响

为了探明不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响,采用定位试验,对比研究了深松耕(ST)、免耕(NT)、旋耕(RT)和翻耕(CT)这4种耕作方式下土壤呼吸速率的动态变化特征;并利用根去除法研究了根呼吸对土壤呼吸的贡献.结果表明,夏玉米生长季,4种耕作方式下土壤呼吸速率随生育期均呈单峰型变化趋势,在抽雄期达到最大,各生育期土壤呼吸速率大小顺序依次表现为:抽雄期开花期灌浆期成熟期拔节期苗期.不同耕作措施对平均土壤呼吸速率的影响表现为CTSTRTNT;土壤呼吸速率与土壤温度的相关系数达到显著性水平(P0.05),不同耕作措施下5 cm地温可以解释土壤呼吸速率变异的35%~75%.而土壤呼吸速率与土壤水分的相关系数却未达到显著性水平.夏玉米生长季中,不同耕作措施下根呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在45.13%~56.86%之间波动,均值为51.72%.因此,利用根去除法可以用来了解作物生长对土壤碳排放的贡献及比较不同耕作措施对根系呼吸贡献的影响,从而为筛选出减缓农田土壤有机碳分解的耕作措施提供依据.     

农户黑土地保护性耕作行为决策：价值感知抑或政策驱动?

在黑土耕地质量退化问题日益严重的现实背景下,利用吉林省黑土区680户农户调查数据,分析价值感知和政策工具对农户黑土地保护性耕作行为的影响,并分析其作用机理及内在逻辑。研究表明：价值感知对农户黑土地保护性耕作行为决策具有显著影响,而政策工具对农户黑土地保护性耕作行为决策的驱动作用有限,但政策工具通过其调节作用能够增强利益感知对农户黑土地保护性耕作行为的促进作用,同时弱化风险感知对农户黑土地保护性耕作行为的抑制作用,显著增加了价值感知对农户黑土地保护性耕作行为决策的正向影响。因此在推进农户黑土地保护性耕作行为的过程中,充分发挥农户价值感知的内在激励作用,强化政策工具的外在驱动力,把握政策工具对价值感知的调节作用对推进农户参与黑土地保护性耕作行为具有重要意义。     

保护性耕作对黑河流域农田土壤水分利用的影响

为了探讨保护性耕作节水、 增产潜力及其在黑河流域的适应性,设计20 cm留茬(NS20)、 20 cm留茬压倒(NPS20)、 40 cm留茬(NS40)、 40 cm留茬压倒(NPS40)和传统耕作(CT)5个处理,研究了保护性耕作对黑河流域农田土壤含水量、 产量和水分利用效率(WUE)的影响.结果表明:相对传统耕作,保护性耕作增加了土壤贮水量:在2003年和2004年休闲期结束后,NPS40、 NS40、 NS20和NPS20表层0~30 cm土壤贮水量较CT分别增加30.22%、 27.29%、 20.92%、 13.64%和48.32%、 38.90%、 29.85%、 23.28%;2004、 2005两年播种期0~5 cm土壤含水量NPS40、 NS40、 NPS20和NS20较CT分别增加37.29%、 37.10%、 21.49%、 41.90%和33.99%、 40.17%、 8.90%、 38.44%;播种到拔节期留茬高度越大,土壤贮水量越多,在相同高度的留茬处理中,干旱年份压倒处理保水效果较好,降雨相对较多的年份立茬处理保水效果较好;拔节后各层土壤贮水量之间差异减小.保护性耕作增加作物产量和水分利用效率,尤其是NPS20,2004年和2005年产量和WUE较传统耕作分别增加53.08%、 5.85%和52.04%、 7.30%.     

滇池双龙流域不同土地利用方式下土壤侵蚀与土壤养分分异

在滇池双龙流域选取耕地、撂荒地、草地和林地4种土地利用方式,分别取0～40 cm土壤样品,测定样品中的137Cs比活度及w(TN)、w(TP)、w(TOC),同时根据土壤有机质中δ13C(稳定性碳同位素丰度)的剖面分布特征,分析不同土地利用方式对该流域土壤侵蚀程度、土壤养分分异及有机质来源和变化的影响. 结果表明:①耕地、撂荒地、草地和林地土壤的137Cs比活度分别为0.65、0.21、3.92和0.61 Bq/kg,土壤侵蚀模数大小表现为耕地>撂荒地>林地>草地. ②不同土地利用方式下,土壤剖面w(TOC)、w(TN)和w(TP)的平均值差异显著(P<0.001);w(TOC)表现为草地＞林地＞耕地＞撂荒地,w(TN)表现为草地＞耕地＞林地＞撂荒地,w(TP)表现为耕地＞草地＞林地＞撂荒地;各种土地利用方式土壤剖面养分质量分数均随土壤深度增加呈降低趋势. ③耕地、撂荒地、草地和林地土壤的δ13C平均值分别为-22.28‰±1.49‰、-23.29‰±0.24‰、-26.32‰±0.25‰和-25.94‰±0.22‰,推断该区域土壤有机质主要来源于陆生C₃植物. 土壤剖面δ13C的变幅差异反映了土壤有机质分解程度的强弱,δ13C变化规律表现为耕地＞林地＞草地＞撂荒地. ④土壤侵蚀模数越大,w(TOC)和w(TN)越低,草地和林地土壤侵蚀程度较低,土壤养分流失量较小,更有利于土壤质量的改善和流域水环境的保护.      

水保措施对柑橘果园土壤细菌群落结构的影响

为探索水保措施对柑橘果园土壤细菌群落结构的影响,以江西省德安县柑橘果园为研究对象,选取4种水保措施[狗牙根条带覆盖（TD）、狗牙根全园覆盖（QY）、经济作物萝卜-大豆轮作条带覆盖（LZ）和净耕果园（JG）],基于高通量测序技术确定了柑橘果园土壤不同土层[表层（0~10 cm）、中层（10~20 cm）、底层（20~40 cm）]的细菌群落结构,并采用PLS-DA分析和冗余分析（RDA）等统计方法研究了不同水保措施条件下柑橘果园细菌群落结构特征及差异.结果表明:①与JG相比,TD、QY和LZ各层土壤中的全氮（TN）、土壤有机碳（SOC）和土壤有机质（SOM）含量均有提高,尤其是QY提高明显,其3层土壤中的平均TN、SOC和SOM含量分别提高了近50%、40.33%和40.26%.②与JG相比,QY表层土壤的细菌丰度显著增加了近1.51倍,且不同水保措施下QY表层和TD中底层土壤的Shannon-Wiener指数分别最高.③柑橘果园土壤中主要细菌门有Chloroflexi（28.39%~45.32%）、Acidobacteria（13.20%~23.31%）、Proteobacteria（14.65%~22.95%）和Actinobacteria（7.20%~11.26%）.与TD、QY和LZ相比,JG土壤中Chloroflexi的相对丰度较高,Acidobacteria和Proteobacteria的相对丰度较低.除Chloroflexi相对丰度增加外,不同水保措施下Proteobacteria和Actinobacteria的相对丰度均沿剖面深度呈减少趋势;不同水保措施下Acidobacteria的相对丰度亦沿剖面深度呈减少趋势,但TD除外.④不同水保措施下土壤细菌群落差异显著,TN、SOC和SOM（尤其是TN）是主要影响因素.⑤网络分析表明,Proteobacteria是4种水保措施下土壤细菌交互作用的核心细菌;QY土壤细菌群落交互作用网络的稳定性优于TD、LZ和JG.研究显示,水保措施可以通过改变土壤理化环境来影响细菌群落结构,TD、QY和LZ均提高了土壤中的TN、SOC和SOM含量,增加了土壤细菌多样性,其中以QY的提高最为显著,且土壤细菌群落交互作用的稳定性最好.      

Tillage and soil carbon sequestration—What do we really know?

It is widely believed that soil disturbance by tillage was a primary cause of the historical loss of soil organic carbon (SOC) in North America, and that substantial SOC sequestration can be accomplished by changing from conventional plowing to less intensive methods known as conservation tillage. This is based on experiments where changes in carbon storage have been estimated through soil sampling of tillage trials. However, sampling protocol may have biased the results. In essentially all cases where conservation tillage was found to sequester C, soils were only sampled to a depth of 30 cm or less, even though crop roots often extend much deeper. In the few studies where sampling extended deeper than 30 cm, conservation tillage has shown no consistent accrual of SOC, instead showing a difference in the distribution of SOC, with higher concentrations near the surface in conservation tillage and higher concentrations in deeper layers under conventional tillage. These contrasting results may be due to tillage-induced differences in thermal and physical conditions that affect root growth and distribution. Long-term, continuous gas exchange measurements have also been unable to detect C gain due to reduced tillage. Though there are other good reasons to use conservation tillage, evidence that it promotes C sequestration is not compelling.     

采用保护性耕作对减少水稻产量损失的实证分析——基于4省1080个稻农的调研数据

干旱和洪涝是造成水稻减产最主要的自然灾害,稻农通过采用保护性耕作可以减少其对水稻的产量损失。基于2013—2015年中国水稻主产区1 080个水稻农户的调研面板数据,论文采用内生转换模型,实证分析了稻农通过采用保护性耕作应对干旱或洪涝的效果,并分别估计了采用者和未采用者的水稻单产情况。实证结果表明:1)采用者的水稻单产远远高于未采用者的水稻单产;2)在反事实假设情况下,如果采用者未采用保护性耕作,其水稻产量将相应减产457.95 kg/hm~2(约7%);如果未采用者采用保护性耕作,其水稻产量将相应增产225 kg/hm~2(约4%);3)户主种植经验、受教育年限和公共服务可得性正向影响稻农的采用行为。最后,论文建议政府应大力推广保护性耕作技术,加大对抗逆水稻品种的培育,加强对农业生产资料的投入和管理,扩大公共服务的覆盖范围。