耕地不同管理措施对土壤碳循环的影响研究

林赤辉 郭小雨 康文慧 张宇

摘要：大多研究表明耕地并非是碳汇式的用地类型，这一方面是由于林地、草地向耕地的转化过程中会释放大量的CO2，而另一方面人类的耕种、施肥、灌溉等耕地管理措施也会对耕地土壤碳循环产生重要影响。本文基于耕地管理视角，以内蒙古典型地区的实验数据分析不同管理措施对耕地土壤碳循环的影响。结果表明，在控制其他变量的前提下，化肥有机肥配施以及单施有机肥对土壤碳汇有较明显的作用，免耕和秸秆还田对土壤碳汇有一定的作用，但作用有限，单施化肥的固碳量最低。因此应采用科学合理的施肥策略，积极推广测土培肥技术，大力推广免耕技术，禁止烧荒，增加秸秆还田量等措施来加大耕地管理力度。

关键词：耕地；管理措施；碳排放；碳汇；巴彦淖尔市

陆地碳循环问题一直是学术界关注的焦点，耕地是受人类活动最为明显的一种土地利用类型，也是主要的碳源地类，耕地的利用方式与碳循环间有着紧密的关联。已有研究在分析耕地利用与碳循环间的关系时，重点关注了耕作制度、施肥措施、灌溉方式等农田管理措施对耕地土壤碳库的影响，测定某种管理措施下土壤碳的释放或吸收效应，以及對温室气体排放的影响，研究方法多采用微观的实验分析法。研究表明，合理的耕作及管理措施能够有效降低耕地土壤碳损失，每年吸收固定的碳量约为0.4Pg～1.2Pg，抵消掉碳排放量的5%～15%[1]，可以使土壤碳库损失量的60%～70%得以重新固定[2]。

当前，耕地管理措施主要包括施肥、秸秆还田、耕作制度等，不同措施会从不同方面对土壤有机碳产生影响。施肥对耕地土壤有机碳作用的影响机理在于，一方面不同的施肥类型会引起土壤团粒结构的改变，从而影响土壤中微生物的活性，最终加快或减缓了土壤有机碳的分解；另一方面不同的施肥措施对增加作物产量的作用是不同的，最终影响到作物（残茬和根）还田量。国内外关于施肥对土壤有机碳影响的研究主要集中于施用不同类型的肥料对有机碳含量的影响，共识性的结论是施用有机肥、化肥有机肥配施能够增加土壤碳元素的输入量，长期施用能够有效提高土壤有机碳含量[3-4]，特别是化肥有机肥配施还能克服单施有机肥易于氧化分解的缺点，从而既能增加碳元素的输入量，又提高了有机质的氧化稳定性。而单施化肥对土壤有机碳含量影响的研究则因为受到土壤类型、气候条件、耕作制度等诸多不确定因素的影响而未形成统一的结论。秸秆还田增加土壤有机碳的机理与施肥类似，一方面秸秆还田增加了有机质的输入量，从而增加了土壤总有机碳；另一方面秸秆的混入，改善了土壤的团粒结构[5]，降低了水土流失程度，很好的保存了土壤有机碳。从秸秆还田方式来看，秸秆混施要比秸秆表施更能促进土壤有机碳的增加，而秸秆焚烧（烧荒）则会使有机质大量损失，不利于土壤有机碳的增加。犁耕会不可避免的降低土壤有机碳含量[6]，其原因主要是3个方面[7]，一是耕作会引起土壤团粒结构的破坏，引起土壤的氧化和矿化；二是耕作会引起土壤中可溶性有机碳的淋溶和迁移；三是耕作会加速土壤的侵蚀过程。因此，免耕是提高农田土壤有机碳的一种有效的方法，West[8]等测算出，免耕能使土壤有机碳储量平均每年增加（57±14）g/m2。张金波等[9]研究也发现，长期耕作的土壤有机碳含量较自然植被土壤低40%～50%。

综上，已有研究已经取得了一定的成果，很有借鉴意义。但已有研究多是分析单一耕地管理措施对土壤有机碳的影响，而对各类管理措施影响效果的对比研究较少。为对比分析不同耕地管理措施对土壤有机碳变化的影响效果，从而确立更好的耕地管理措施，本文以内蒙古自治区巴彦淖尔市为研究区域，通过实验分析单施化肥、单施有机肥、化肥有机肥配施、秸秆还田和免耕等五种耕地管理措施下耕地土壤有机碳储量的变化状况，以确定最为适宜的耕地管理措施。巴彦淖尔市地处河套平原，地势平坦，土地肥沃，渠道纵横，灌溉便利，素有“黄河百害，唯富一套”的说法，是国家和内蒙古自治区商品粮、油生产基地。其土壤类型、种植制度均具有代表性，能够较好的说明问题。

1.研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

巴彦淖尔市地处北纬40°13～42°28，东经105°12～ 109°53之间，位于内蒙古自治区西部。属中温带大陆性季风气候，光照充足，年平均日照时数为3110h～3300h之间，是我国光能资源最丰富的地区之一；降水量少，年平均降水量188mm，蒸发量大，年平均蒸发量却高达2032mm～ 3179mm；风大沙多，年平均风速2.5m/s～3.4m/s，年最大风速18m/s～40m/s；无霜期短，平均无霜期为126天，温差大，四季分明。研究区内土壤类型较多，有灌淤土、盐土、碱土、风沙土、潮土、新积土、沼泽土、灰土、栗钙土、棕钙土、灰漠土、灰棕漠土、石质土、粗骨土等14个土类，32个亚类，94个土属，348个土种。其中耕地土壤养分普查化验结果表明，五级以下者占71%，四级以上仅占19%，有机质大于2.0%（主要是洪淤土）仅占10%，速效磷四级占51%，五级占26%，一级不足1%。速效钾三级占31%，四级占21%，五、六级较少，一级占18%，二级占14%。总的来说，全市土壤是缺氮、少磷，有机质含量低，钾较丰富。

本文中选择的实验田块是长期定位实验田，均为旱地。选择单施化肥、单施有机肥、化肥有机肥配施、秸秆还田和免耕五种农田管理措施下的耕地，分别测定土壤有机碳含量（SOC）、土壤容重，计算土壤有机碳储量，并分析不同管理措施对碳平衡的影响。

1.2测定方法

土壤有机碳含量测定方法为重铬酸钾外加热法[10]，有机碳的含量为有机质乘系数0.58。具体步骤为：称取100目的风干土样（有机质高于50g/kg，称取0.1g；有机质处于20g/kg～30g/kg之间，称取0.3g，有机质小于20g/kg，称取0.5g以上），精确到0.0001。放入干燥的硬质试管，用移液管准确加入重铬酸钾标液5mL（若含氯化物，加入Ag2SO40.1g），再用注射器注入5mL硫酸，小心旋转摇匀，管口盖上弯颈小漏斗，以冷凝蒸出水蒸气。将试管放置在自动控温的铝块管坐中，维持温度170℃～180℃，液体沸腾发生气泡时开始计时，煮沸5min取出。冷却后，将试管内容物倾倒至250mL的三角瓶，用水清洗试管内部及小漏斗，三角瓶中液体约为60mL～70mL，保持混合液中硫酸浓度为2mol L-1～3mol L-1，加入12滴～15滴指示剂，用硫酸亚铁标定，颜色由棕红色-紫色-暗绿（灰蓝绿色）。空白用0.500g粉状二氧化硅代替土样，硫酸亚铁的滴定数记为V0。

2.测定结果分析

2.1不同管理措施对土壤碳储量的影响

土壤有机碳主要分布在100cm厚的土层内，因此本文中以100cm土层内的土壤有机碳含量计算土壤碳储量，如表1所示。结果表明，100cm土体内化肥有机肥配施、单施有机肥、单施化肥、秸秆还田和免耕的有机碳储量分别为100.6、104.2、91.3、91.8、95.7t·hm-2，对照数据（不施肥）为87.7t·hm-2。与对照数据相比，化肥有机肥配施样地显著增加了土壤有机碳储量，其次为单施有机肥、免耕、秸秆还田，单施化肥效果最差。

进一步实验发现，在不同厚度的土层内由于采用不同的耕地管理措施，对土壤有机碳储量影响也存在差异。与对照数据相比，化肥有机肥配施显著增加了0cm～60cm土层的有机碳储量；单施有机肥和免耕显著增加了表层（0cm～ 20cm）的有机碳，秸秆还田和单施化肥所导致的有机碳增加在各层均不显著，这可能是因为研究区秸秆还田比例较低以及采用表施还田的方式所致，这一结论与其他学者[11]的研究比较相近。化肥有机肥配施、单施化肥的处理与单施有机肥处理相比，对深层有机碳储量的增加较多，可能是化肥中的速效养分可溶性好、移动性较大，促进了根系在土壤深层的分布和生长，从而增加了深层土壤的有机质含量。单施化肥与对照组相比对土壤有机碳的影响并不显著，这与大多数学者的研究结果相一致，而且可以推测长期施用化肥会降低土壤有机碳含量。此外，实验发现对照数据土壤有机碳保持了较高的水平，分析认为主要是研究区土壤容重较大，所以尽管有机碳含量较低，但有机碳储量还是偏高。

从剖面分布看，不同管理措施下土壤有机碳储量均随着土层深度的增加而迅速减少，0cm～20cm土层的有机碳储量占到100cm土层碳总量的30%左右，0cm～40cm则储存了总量的一半以上。总体来看，研究区化肥有机肥配施、单施有机肥措施碳汇作用较明显，其次是免耕和秸秆还田，施化肥的固碳量最低。

2.2不同管理措施对土壤碳平衡的影响

不同管理措施不仅影响土壤有机碳的总量，而且会对土壤碳平衡产生影响。土壤有机碳平衡即生长季末（年末）土壤有机碳储量与生长季初（年初）储量比较，正平衡表示土壤有机碳收入大于支出，反之则入不敷出。碳平衡反映了土壤有机碳收支抵消状况，其计算公式为[12]：

计算土壤碳平衡时考虑两种不同的阶段划分，即分别考虑全年CO2排放和生长季CO2排放。表2中结果表明，如果考虑全年土壤CO2排放，在化肥有机肥配施和单施有机肥样地中，土壤的碳平衡为正值，土壤每年盈余655.4和100.3kg C·hm-2，其他处理有机碳呈亏损状态，单施化肥处理由于没有有机肥投入，亏缺量最大，为2244.8kg C·hm-2，其次是对照数据，亏缺量为2070.8kg C·hm-2，免耕可大大降低土壤CO2排放，增加土壤中残茬量，因而土壤有机碳亏损为1567.9kg C·hm-2，秸秆还田可增加残茬量，减少土壤CO2排放，土壤有机碳亏损为1785.7kg C·hm-2。可见，增施有机肥对土壤碳平衡有重要作用，一是因为施用有机肥直接增加了土壤有机碳，二是因为较大的生物量产生了较多的残茬及分泌物，间接地增加了土壤有机碳量。单施化肥样地中CO2排放量小且残茬量较大，但因为施用化肥不会直接增加土壤有机碳，所以在土壤碳平衡中碳损失最大；单施有机肥样地的呼吸作用最强，损失了大量的碳，而且生物量较低、残茬还田量最少，但通过施用有机肥补充了大量的碳，所以土壤碳仍有盈余；而免耕、秸秆还田则是通过增大土壤残茬量，减少土壤呼吸作用来达到减少碳排放的作用，效果非常明显。因此，化肥有机肥配施、单施有机肥、免耕和秸秆还田等措施均有助于土壤有机碳的积累，应大力提倡。

3.结论与讨论

本研究以内蒙古自治区巴彦淖尔市典型试验区为例，分析了耕地不同管理措施下对土壤碳循环的影响。研究结果表明：（1）从耕地不同管理措施对土壤碳储量的影响来看，与对照数据相比，化肥有机肥配施处理显著增加了土壤有机碳储量，其次为单施有机肥、免耕、秸秆还田，单施化肥效果最差。（2）从不同管理措施对土壤碳平衡的影响来看，如果考虑全年土壤CO2排放，在化肥有机肥配施和单施有机肥样地中，土壤的碳平衡为正值，土壤每年盈余655.4和100.3kg C·hm-2，其他处理有机碳呈亏损状态，單施化肥处理由于没有有机肥投入，亏缺量最大，为2244.8kg C·hm-2，其次是对照数据，亏缺量为2070.8kg C·hm-2，免耕可大大降低土壤CO2排放，增加土壤中残茬量，因而土壤有机碳亏损为1567.9kg C·hm-2，秸秆还田可增加残茬量，减少土壤CO2排放，土壤有机碳亏损为1785.7kg C·hm-2。因此，应通过采用科学合理的施肥策略，积极推广测土培肥技术；大力推广免耕技术；禁止烧荒，增加秸秆还田量等措施来减少耕地碳排放。

针对上述研究结论，本文提出如下耕地利用管制策略：

（1）采用科学合理的施肥策略，积极推广测土培肥技术。有机肥和无机肥配合施用、单施有机肥均可以保持土壤有机质平衡，增加土壤有机碳含量，但也要看到不同田块间的差异，因此应积极推广测土培肥技术，即以土壤测试和肥料田间试验为基础，根据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，在合理施用有机肥料的基础上，提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用数量、施肥时期和施用方法。这样既能够提高土壤有机碳含量，又能够提高肥料利用率，减少用量。

（2）大力推廣免耕技术。过度耕作使得土壤中的碳素大量释放，因此应摒弃传统的犁铧翻耕的耕作方式而大力推广垄作免耕技术。一方面可以保存土壤中的碳含量，有利于土壤有机碳的固定，另一方面则可以减少农业机械的使用，有效减少化石燃料的燃烧，相应减少温室气体的排放。近年来，巴彦淖尔市农业部门在推广免耕技术，增加秸秆还田方面做了很多工作，取得了不错的效果。例如，农业技术推广部门在总结近几年地膜二次利用技术试验的基础上，对覆膜玉米后茬免耕直播向日葵栽培技术进行了专项研究，研究表明，覆膜玉米后茬免耕栽培技术实现了地膜重复利用、节本增效、减少污染、保护环境、种植效益好、现金回报率高的向日葵轮作倒茬，同时又减少土壤的物理损伤和表土流失，改善了农田生态环境、降低劳动强度、节约柴油、化肥等农用物资，根茬返还土壤，还可使土地肥力增加。今后应进一步抓好培训工作，帮助农民掌握免耕种植的技术规程，积极争取各方面的资金大力推广免耕技术。

（3）禁止烧荒，增加秸秆还田量。内蒙古自治区农作物秸秆还田方式主要有直接还田、过腹还田、也有极少部分焚烧后还田。以巴彦淖尔市为例，作物秸秆直接还田量占秸秆资源利用总量的45.7%，过腹还田量占秸秆资源利用总量的52.1%，焚烧后还田占秸秆资源利用总量的0.8%。其中小麦直接还田方式主要为留高茬还田，玉米还田方式主要为过腹还田，其他作物如黑白瓜子、番茄、薯类、豆类秸秆等主要进行机械翻压还田，杂粮、部分薯类、豆类、油菜主要还田方式为过腹还田。为减少碳排放，今后应全面禁止焚烧秸秆的陋习；开展秸秆还田实验，努力克服秸秆还田过程中可能产生的不良影响，增大秸秆还田比例，提高土壤中有机质的含量，防止土壤退化。

需要讨论的问题是：（1）耕地不同管理措施下对碳循环的影响研究存在很多的不确定性因素。研究区、研究样地的选择不同，其土壤理化性质、种植制度、耕作措施等都存在差异，进而影响到实验结果；取样方法不同，土层深度不同也会影响最终的研究结果。因此，需要将各类因素综合考虑来客观评价耕地不同管理措施对碳循环的影响。（2）本研究由于受条件所限，并没有对耕地土壤碳组分进行划分，使得研究结果不够精确。

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