黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組

學(xué)科組于?2001 年在中國科學(xué)院國外杰出人才項(xiàng)目資助下組建。從 2001 年開始長期定位試驗(yàn)(德惠市米沙子鎮(zhèn))，系統(tǒng)研究了黑土有機(jī)質(zhì)演變規(guī)律及其對(duì)保護(hù)性耕作的響應(yīng)機(jī)制，研發(fā)秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作技術(shù)。2003 年，團(tuán)隊(duì)從美國引進(jìn)了 KINZE-3000 型四行牽引式免耕播種機(jī)，該播種機(jī)的引入促成了東北地區(qū)真正意義上的免耕播種，并于 2004 年率先在東北黑土區(qū)德惠朱城子鎮(zhèn)示范推廣。2007年，在吉林省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科技示范項(xiàng)目的資助下，學(xué)科組在梨樹縣高家村開展保護(hù)性耕作示范推廣工作，為“梨樹模式”技術(shù)形成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了吉林康達(dá)免耕播種機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化。

學(xué)科組承擔(dān)國家、中科院、地方項(xiàng)目/課題 23 項(xiàng)，發(fā)表論文300余篇,(其中SCI論文 100篇),論文總引用頻次達(dá)5000次，最高單篇引用 300 多次。授權(quán)專利 20 項(xiàng)，軟件著作權(quán) 20 項(xiàng)。

長期定位試驗(yàn)示范推動(dòng)黑土地保護(hù)性耕作的快速發(fā)展

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摘要：東北黑土區(qū)承擔(dān)著國家糧食安全“穩(wěn)壓器”的重要責(zé)任。然而，由于長期超負(fù)荷開發(fā)利用導(dǎo)致黑土日益退化，黑土資源的永續(xù)利用受到嚴(yán)重制約。為推動(dòng)形成黑土耕地質(zhì)量、耕作效益綠色增長的發(fā)展模式，夯實(shí)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組自本世紀(jì)初（2001年）以來圍繞黑土保育與保護(hù)性耕作的核心問題，立足長期定位試驗(yàn)研究，系統(tǒng)闡明了全量秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作在改善土壤物理結(jié)構(gòu)、地力提升和作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)過程中的重要作用及其機(jī)制，為保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)的推廣應(yīng)用提供了系統(tǒng)科學(xué)的理論依據(jù)。作為國內(nèi)最早開展保護(hù)性耕作研究和技術(shù)示范推廣的團(tuán)隊(duì)之一，率先在東北黑土區(qū)示范推廣秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作技術(shù)，促成了我國免耕播種機(jī)的研發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，并為“梨樹模式”的建立發(fā)揮了重要的開拓引領(lǐng)作用。通過保護(hù)性耕作基礎(chǔ)研究-技術(shù)研發(fā)-示范推廣，為促進(jìn)黑土地利用與保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展、推動(dòng)保護(hù)性耕作高質(zhì)量跨越式發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：長期定位試驗(yàn)示范；黑土地；保護(hù)性耕作；土壤有機(jī)質(zhì)；土壤結(jié)構(gòu)；土壤生物

黑土作為世界公認(rèn)的最為珍貴和肥沃的土壤資源，因其性狀優(yōu)良、肥力高，被認(rèn)為是最適宜作物生長的土地。我國東北黑土區(qū)是世界四大黑土區(qū)之一，總面積約為103萬km2，既是我國最大的糧食生產(chǎn)基地和商品糧輸出基地，也是保障國家糧食安全的“壓艙石”。然而，長期的不合理耕作和高強(qiáng)度利用導(dǎo)致黑土面臨著“量減質(zhì)退”的窘境，主要表現(xiàn)為黑土層變薄和有機(jī)質(zhì)下降。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)50年代黑土大規(guī)模開墾以來，黑土層厚度已有開墾前的60-70 cm變?yōu)?0-30 cm，有的地區(qū)甚至出現(xiàn)“破皮黃”（劉慧和魏永霞，2014）。吉林省黑土有機(jī)質(zhì)由墾前的40-100 g/kg下降為20-50 g/kg（劉興土和閻百興，2009）。如何保護(hù)和利用好黑土地已成為當(dāng)前國家和社會(huì)各界重點(diǎn)關(guān)注的議題。2020年7月22日習(xí)近平總書記在吉林省考察時(shí)特別指出，一定要保護(hù)好黑土地這一“耕地中的大熊貓”。黑土地保護(hù)已上升為國家戰(zhàn)略呼之欲出。

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組早在本世紀(jì)初就深刻認(rèn)識(shí)到了黑土存在的嚴(yán)峻問題，在2001年《科學(xué)新聞周刊》率先發(fā)表文章“保護(hù)性耕作：保護(hù)東北黑土資源的有效途徑”（楊學(xué)明和張曉平, 2001），并在中國科學(xué)院國外杰出人才項(xiàng)目（東北松嫩平原黑土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳水平現(xiàn)狀和可增加潛力）資助下開始了近20年的黑土保育與保護(hù)性耕作的探索研究。

1、保護(hù)性耕作的概念及在東北黑土區(qū)的起步探索

根據(jù)美國保護(hù)性耕作信息中心的定義，為減少風(fēng)蝕和水蝕，任何能保證在播種后地表作物殘留物覆蓋率不低于30%的耕作和種植管理措施都稱為保護(hù)性耕作（CTIC，2020）。耕作類型包括免耕、壟作、條耕、冪作等。源于美國并在美國興起的保護(hù)性耕作因其可以有效控制由于過度耕墾等不合理的人為活動(dòng)引起的土壤侵蝕、耕地地力下降和生態(tài)環(huán)境惡化（楊學(xué)明等, 2004），逐漸受到各國的關(guān)注并在全球推廣應(yīng)用。保護(hù)性耕作不僅改善土壤耕性、增加土壤有機(jī)質(zhì)和生物多樣性，重建土壤生態(tài)和生產(chǎn)功能，還可以控制土壤侵蝕，改善生態(tài)環(huán)境，同時(shí)減少勞動(dòng)量，節(jié)省時(shí)間和能源，為農(nóng)民帶來效益。然而，保護(hù)性耕作的應(yīng)用效果因氣候條件、土壤類型、地形特點(diǎn)、作物品種、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和農(nóng)機(jī)裝備實(shí)際情況等因素而異，該技術(shù)在東北黑土區(qū)的適宜性如何？是否有利于土壤生態(tài)功能提升？其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益如何？秸稈直接還田對(duì)春季播種的影響如何，尤其在冷涼低洼區(qū)域，這一問題面臨更大挑戰(zhàn)。學(xué)科組圍繞保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)應(yīng)用的科學(xué)問題、技術(shù)問題和生產(chǎn)問題，首先利用修正的通用流失方程和RothC模型模擬指出了秸稈覆蓋還田免耕在防止水土流失和恢復(fù)黑土有機(jī)質(zhì)方面的潛在作用。研究發(fā)現(xiàn)，東北黑土實(shí)施免耕后可以起到防止土壤流失的作用，而且效果因黑土層厚度不同而異，黑土層越薄，防止土壤流失的效果越為顯著，最高可減少水土流失82.6 t ha^-1?yr^-1（Yang et al., 2003）；如果在施加化肥的同時(shí)實(shí)施秸稈還田將恢復(fù)黑土有機(jī)質(zhì)歷史損失量的1/3（楊學(xué)明等，2003）。為了探明保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)的適宜性及其對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響及其機(jī)理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)于2001年和2012年分別在吉林省德惠市和長春市典型中層黑土上建立了中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所保護(hù)性耕作長期定位試驗(yàn)基地（圖1），以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照，系統(tǒng)全面地研究秸稈覆蓋還田下的保護(hù)性耕作對(duì)土壤質(zhì)量、生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的影響及其機(jī)制，研發(fā)可用于秸稈全量覆蓋條件下作業(yè)的免耕播種機(jī)，為科學(xué)評(píng)估和驗(yàn)證保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)的適宜性，解決秸稈還田下播種難的問題，實(shí)現(xiàn)黑土保護(hù)和資源高效利用提供技術(shù)和理論支撐。

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2、科學(xué)系統(tǒng)地闡明了全量秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作在土壤物理結(jié)構(gòu)、地力提升和作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)過程中的重要作用，為保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)的推廣應(yīng)用提供了系統(tǒng)科學(xué)地理論依據(jù)。

????2.1理清了保護(hù)性耕作改善黑土物理結(jié)構(gòu)，提升黑土服務(wù)功能的作用機(jī)制。

土壤物理過程是每一個(gè)土壤化學(xué)和生物過程的重要基礎(chǔ)（彭新華等，2020）。15年的連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作顯著增加了農(nóng)田黑土播種期和生育期各時(shí)段的土壤含水量，平均提高16.2-22.5%，土壤每年多蓄納降水60-80毫米，有效緩解了東北地區(qū)的春季土壤墑情差的影響。土壤孔隙分布發(fā)生改變,?大孔隙（>100 μm）數(shù)量增加11-16%，這些大孔隙一方面構(gòu)成了蚯蚓活動(dòng)和植物根系生長的自由空間（Jarvis, 2020），增加了蚯蚓的數(shù)量（李文鳳等，2007；郭亞飛，2018），另一方面提升了土壤水分和養(yǎng)分的流通能力。蚯蚓及其通過攝入、混合土壤顆粒和有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生的糞便通過?其自身總孔隙面積、抗張強(qiáng)度、斥水性促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累（Chen et al., in press）。土壤入滲量和入滲能力的增加（入滲速率和飽和導(dǎo)水率分別增加62.3%和20.7%）（Chen et al., 2018），減少了降雨形成的地表徑流，控制了土壤水蝕；與此同時(shí)減少了干旱時(shí)土壤水分的蒸發(fā)，進(jìn)而土壤蓄水能力增強(qiáng)、抗旱能力提升。保護(hù)性耕作彌散系數(shù)這一表征土壤水分和養(yǎng)分?jǐn)U散速率的指標(biāo)高于常規(guī)耕作2.23倍，為土壤-作物系統(tǒng)水分和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)提供了快速通道。由于保護(hù)性耕作常年不擾動(dòng)/很少擾動(dòng)土壤，耕層（0-20cm）土壤容重和緊實(shí)度有所增加,(以下黃色字刪除)但隨東北漫長冬季的到來,黑土區(qū)凍融作用可以顯著降低土壤硬度，解凍后春季土壤硬度較前一年秋季平均降低72.9%（陳學(xué)文等，2012b），而且作物生長過程中根系尋求阻力最小路徑，因此保護(hù)性耕作下土壤硬度并沒有影響種子萌芽和作物生長；此外，保護(hù)性耕作增加了土壤含水量、入滲速率、飽和導(dǎo)水率，提高了水分、養(yǎng)分?jǐn)U散速率，加之適宜的充氣孔隙度（0.98 cm³?cm^-3，<0.1 cm³?cm^-3時(shí)限制作物生長），進(jìn)而促進(jìn)了作物生長。

另外，在黑土礦物組成中膨脹性粘土礦物蒙脫石和伊利石占主流，致使土壤膨脹性能高，收縮性良好，回彈能力強(qiáng)（Chen et al., 2019）。實(shí)施保護(hù)性耕作后黑土結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性未發(fā)生顯著變化（范如芹等，2010），表明與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作下黑土不易被壓實(shí)，且即便壓實(shí)后其回彈能力也較強(qiáng)，而且全量秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作連續(xù)實(shí)施3年，影響土壤通氣透水和物質(zhì)能量傳輸?shù)睦绲讓酉?，作物根系可以向下扎的更深、更廣，降低了倒伏和增強(qiáng)了抵御風(fēng)災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)?？梢?，秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作明顯改善了黑土物理特性，提升了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、土壤抗性和恢復(fù)力以及水分保蓄能力，為其在生物活動(dòng)、養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)功能方面發(fā)揮作用奠定了基礎(chǔ)。

從保護(hù)性耕作影響土壤碳匯功能的物理機(jī)制來看，團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)首次引入最小限制水分范圍這一指標(biāo),將土壤容重、硬度、孔隙等物理要素與有機(jī)碳結(jié)合起來，通過參數(shù)校正和分析得出，保護(hù)性耕作降低了土壤持水孔隙，限制了土壤微生物活性，進(jìn)而降低了黑土有機(jī)碳的礦化分解，使得更多的有機(jī)碳儲(chǔ)存在土壤中，促進(jìn)了黑土碳儲(chǔ)量的增加（Chen et al., 2015）。此項(xiàng)工作為土壤固碳，尤其是土壤物理-化學(xué)-生物學(xué)互作關(guān)系在土壤生態(tài)功能中的作用研究提供了非常獨(dú)特的理論和新思路。

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2.2揭示了保護(hù)性耕作下黑土有機(jī)質(zhì)的演變規(guī)律及其積累機(jī)制

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是衡量土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。保護(hù)性耕作可以通過秸稈還田（增加碳源）結(jié)合少免耕（減少土壤擾動(dòng)），減少土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解（楊學(xué)明等, 2004）。定位連續(xù)監(jiān)測(cè)表明，全量秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作實(shí)施5年，表層5 cm黑土有機(jī)質(zhì)含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%（有機(jī)質(zhì)含量從28.28 g/kg提升至43.02 g/kg），耕層0-20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量提高17%（Liang et al., 2016; Zhang et al., 2018），而且15年的實(shí)施結(jié)果已經(jīng)顯現(xiàn)表層黑土有機(jī)碳已經(jīng)達(dá)到平衡，如何打破這一平衡使其有機(jī)碳再上一個(gè)臺(tái)階，是我們今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。土壤有機(jī)碳一般占土壤有機(jī)質(zhì)含量的58%。較傳統(tǒng)性耕作，黑土有機(jī)碳儲(chǔ)量提高29%，增加速率最高可達(dá)到0.80 Mg C ha^?1?yr^?1，這一數(shù)值高于美國和華北麥玉兩熟區(qū)免耕土壤固碳速率（0.337和0.56 MgC ha^-1），說明黑土固碳潛力巨大，而傳統(tǒng)性耕作則導(dǎo)致黑土有機(jī)碳儲(chǔ)量正以0.52 Mg C ha^?1?yr^?1的速率繼續(xù)減少。然而，作物秸稈碳進(jìn)入土壤的比例僅為16%左右（Zhang et al., 2018），大部分秸稈碳以氣體形式進(jìn)入大氣。

2.2.1 保護(hù)性耕作下黑土有機(jī)碳的內(nèi)在分配機(jī)制

保護(hù)性耕作增加了耕層總有機(jī)碳的變化，但其變化難以全面揭示其內(nèi)在周轉(zhuǎn)機(jī)制（Zimmermann et al., 2007），因?yàn)椴煌袡C(jī)碳組分儲(chǔ)存能力、穩(wěn)定性、周轉(zhuǎn)時(shí)間均存在差異（von Lützow et al., 2007）。因此，基于15年的長期定位試驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用物理、化學(xué)及生物分組方法分別對(duì)黑土有機(jī)碳進(jìn)行了提取分析，精確定量了保護(hù)性耕作增加的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在各組分中的分配（圖2）。從團(tuán)聚體角度出發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體核心有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和腐殖化程度遠(yuǎn)高于其表面，其有機(jī)碳礦化量顯著低于表面有機(jī)碳，而保護(hù)性耕作有利于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)育，而且保護(hù)性耕作實(shí)施后新增的有機(jī)碳儲(chǔ)量70%儲(chǔ)存在大團(tuán)聚體中，其中有利于有機(jī)碳長期固定的大團(tuán)聚內(nèi)被包裹微團(tuán)聚體占明顯優(yōu)勢(shì)；從密度粒徑的角度得出保護(hù)性耕作不僅增加了輕組有機(jī)碳組分，對(duì)粘粉粒結(jié)合碳的提升也有顯著作用（Zhang et al., 2020），尤其是粘粒有機(jī)碳儲(chǔ)量（50%），因此從物理分組層面證明了保護(hù)性耕作對(duì)有機(jī)碳固存的積極作用?；瘜W(xué)組分結(jié)果顯示，保護(hù)性耕作不僅增加了有利于微生物、植物吸收利用的總活性碳庫，同時(shí)也增加了有利于長期固碳的惰性碳庫，但對(duì)不同活性碳庫的影響存在差異（Zhang et al., 2020）。而保護(hù)性耕作下增加的有機(jī)碳儲(chǔ)量有近一半表現(xiàn)為微生物殘?bào)w碳儲(chǔ)量的增加，其中真菌比例較高，是細(xì)菌的兩倍。化學(xué)分組與生物分組均再次佐證了保護(hù)性耕作對(duì)有機(jī)碳長期固定的有效性。通過全面揭示不同有機(jī)碳組分對(duì)保護(hù)性耕作的響應(yīng)情況，為未來科學(xué)評(píng)估東北農(nóng)田黑土區(qū)有機(jī)碳固定潛力提供了理論支撐。

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2.2.2 保護(hù)性耕作對(duì)黑土氮素轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

足夠的有效氮素供應(yīng)是作物取得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。如何提高土壤有效氮的供應(yīng)，并避免活性氮損失對(duì)水體、大氣環(huán)境的負(fù)面影響是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)永恒話題。研究表明，實(shí)施保護(hù)性耕作能有效提高黑土（特別是表層黑土）的全氮含量，其中實(shí)施秸稈還田壟作土壤的全氮含量較免耕更高（范如芹等，2011）。然而，也有研究認(rèn)為實(shí)施保護(hù)性耕作后土壤中的無機(jī)氮會(huì)被微生物同化固定，不利于作物對(duì)氮素的吸收，因而需要施用更多的化學(xué)氮肥。為科學(xué)評(píng)估長期保護(hù)性耕作對(duì)黑土氮素供應(yīng)與保持的影響，團(tuán)隊(duì)使用¹⁵N同位素成對(duì)標(biāo)記技術(shù)全面研究了不同耕作方式下黑土主要氮轉(zhuǎn)化過程的速率Liu et al., 2018）。發(fā)現(xiàn)長期免耕雖然沒有對(duì)整個(gè)耕層土壤的初級(jí)礦化速率產(chǎn)生影響，但顯著降低了銨態(tài)氮的微生物同化速率，因而提高了黑土向作物供應(yīng)有效氮素的能力。上述研究結(jié)果對(duì)于理解保護(hù)性耕作對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化的影響，并通過秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作以減少活性氮損失、提高作物氮肥利用效率具有重要的意義。

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2.3 明確了保護(hù)性耕作在黑土結(jié)構(gòu)改善、有機(jī)質(zhì)和作物生產(chǎn)力提升過程中的生物調(diào)控機(jī)制

土壤生物作為土壤質(zhì)量的重要組成部分，在維持土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤有機(jī)質(zhì)和增加土壤碳匯、抑制病蟲害和提升作物產(chǎn)量等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要的作用。與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作在提高土壤生物多樣性、物種豐度和生物量等方面具有積極促進(jìn)效應(yīng)。連續(xù)實(shí)施保護(hù)性耕作10年后，耕層黑土（0-20 cm）微生物和土壤動(dòng)物物種豐富度提高了10%-20%，豐度增加了20%-40%，生物量增加了40%-60%（Sun et al., 2016; Zhang et al., 2015）。以有“生態(tài)系統(tǒng)工程師”美譽(yù)的蚯蚓為例，全量秸稈覆蓋還田免耕實(shí)施5年，黑土中蚯蚓數(shù)量從每平方米5條增加到8條，個(gè)體質(zhì)量從每條0.15 g條增加到1.55 g（郭亞飛，2018）。此外，保護(hù)性耕作促進(jìn)了雜食-捕食線蟲及c-p值較高（≥ 3）的食微線蟲功能群豐度的增加（Zhang et al., 2019a）。雜食-捕食線蟲豐度的增加是抑制保護(hù)性耕作下秸稈輸入引發(fā)土傳病的重要原因之一，因而，多年保護(hù)性耕作實(shí)施后玉米感染土壤病原體的機(jī)率較傳統(tǒng)耕作并沒有增加。保護(hù)性耕作實(shí)施14年后黑土雜食-捕食線蟲c-p值較高（≥ 3），說明土壤生物出現(xiàn)明顯富集，意味著保護(hù)性耕作下土壤生態(tài)系統(tǒng)較傳統(tǒng)耕作更為穩(wěn)定（Zhang et al., 2019a）。

保護(hù)性耕作改變了黑土生物功能群群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。定位試驗(yàn)結(jié)合結(jié)構(gòu)方程模型模擬，明確了土壤微生物及其代謝產(chǎn)物是促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的主要因素，這改變了以往普遍認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)是主導(dǎo)土壤結(jié)構(gòu)形成的觀點(diǎn)（Zhang et al., 2012）。其中，叢枝狀菌根真菌生物量的增加及其代謝產(chǎn)物球囊霉素含量的增加是促進(jìn)保護(hù)性耕作下大團(tuán)聚體（> 0.25 mm）形成的重要原因；基于CT掃描技術(shù)，確定了保護(hù)性耕作下蚯蚓活動(dòng)引起的土壤大孔隙的變化范圍，即蚯蚓活動(dòng)僅增加土壤大孔隙（100 μm）的體積而非次大孔隙（30–100μm），而且保護(hù)性耕作下蚯蚓活動(dòng)通過增加大孔隙體積提高了土壤入滲速率和飽和導(dǎo)水率（Guo et al., 2019），確保了在極端干旱時(shí)亞表層土壤可以獲得優(yōu)先流，保證地上作物的生長。

保護(hù)性耕作改變了土壤生物功能群群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響碳在土壤中的穩(wěn)定過程。通過定位試驗(yàn)和土壤食物網(wǎng)模型構(gòu)建發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施保護(hù)性耕作10年后，土壤有機(jī)質(zhì)的分解通道仍然是以細(xì)菌通道為主（Zhang et al., 2015），但土壤生物之間的互作強(qiáng)度增強(qiáng)，即土壤食物網(wǎng)連通性增加，包括食物網(wǎng)長度增加，能量流從低級(jí)營養(yǎng)類群為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂行У貜牡图?jí)營養(yǎng)類群傳遞到頂級(jí)捕食者能量流的傳遞（Zhang et al., 2019b）。上述改變影響了土壤生物對(duì)有機(jī)碳的固持能力。以土壤線蟲作為模式生物分析土壤生物對(duì)碳的分配利用效率發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作，尤其是全量秸稈覆蓋還田免耕顯著提高了土壤生物對(duì)碳的自身固持而降低了碳以CO₂形式的礦化分解（Jia et al., 2016; Zhang et al., 2019b）。此外，保護(hù)性耕作還改變了不同粒級(jí)團(tuán)聚體中微生物的分布及其與線蟲的相互作用強(qiáng)度，使更多的基質(zhì)碳被保存在活性碳庫中，促進(jìn)了有機(jī)碳的積累（Zhang et al., 2013;Liang et al., 2019）。定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還顯示，保護(hù)性耕作對(duì)土壤生物的積極影響效應(yīng)貫穿于整個(gè)作物生育期（Zhang et al., 2019a），表征土壤生物在群落水平和生態(tài)功能水平多樣性的增加可能是東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作有利于土壤生物穩(wěn)定有機(jī)碳的重要原因之一（圖4）。

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2.4 明確指出保護(hù)性耕作在吉林省中部糧食主產(chǎn)區(qū)可以保障玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)

保護(hù)性耕作對(duì)作物產(chǎn)量的影響歷來是一個(gè)有爭議的話題，這主要是源于保護(hù)性耕作的實(shí)施效果因氣候條件、地形、土壤類型等因素而異。吉林省中部典型黑土上實(shí)施全量秸稈覆蓋保護(hù)性耕作后，在正常年份玉米產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作沒有顯著差異，這主要是因?yàn)槊缙陔m然秸稈覆蓋后地溫較低，出苗晚或出苗率略低，但后續(xù)生育期土壤水分含量和溫度、養(yǎng)分供給、土壤結(jié)構(gòu)均優(yōu)于傳統(tǒng)耕作，很大程度上抵消了苗期保護(hù)性耕作的負(fù)面效應(yīng)，從而使玉米長勢(shì)很快趕超傳統(tǒng)耕作，實(shí)現(xiàn)玉米穩(wěn)產(chǎn)（Zhang et al., 2015;Chen et al., 2014, 2018）。在極端氣候條件下，較傳統(tǒng)耕作保護(hù)性耕作則展現(xiàn)出了減產(chǎn)少的優(yōu)勢(shì)。以2012年“布拉萬”臺(tái)風(fēng)為例，保護(hù)性耕作實(shí)施田塊，玉米倒伏率明顯低于傳統(tǒng)耕作，玉米少減產(chǎn)增產(chǎn)16.2%左右，這主要得益于保護(hù)性耕作實(shí)施后土壤犁底層消失、作物根系散布步的廣而深，土壤入滲速率和硬度、容重增加，使得玉米根系滯水時(shí)間降低，根基牢固，不易倒伏（Liang et al., 2017）。極端干旱年份（以2015年為例），秸稈覆蓋還田免耕下7-8月農(nóng)田黑土含水量比傳統(tǒng)耕作高40%，整個(gè)生育期作物生長不受夏秋季干旱脅迫，作物少減產(chǎn)47.4%，而傳統(tǒng)耕作土壤含水量則接近黑土萎蔫系數(shù)，導(dǎo)致玉米嚴(yán)重減產(chǎn)。當(dāng)然，保護(hù)性耕作最大的優(yōu)勢(shì)在于通過降低成本投入來提高經(jīng)濟(jì)效益。以吉林省為例，僅成本投入來看，保護(hù)性耕作較傳統(tǒng)耕作每公頃節(jié)約成本1200-1500元，整個(gè)經(jīng)濟(jì)效益提高15.9-37.0%（Fan et al., 2012）。

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3、研發(fā)了系列免耕精量播種機(jī)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，為秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)的大面積推廣提供了重要保障。

農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝配套、提高免耕播種質(zhì)量一直是推進(jìn)東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作技術(shù)示范推廣的核心問題。免耕播種機(jī)是秸稈覆蓋還田下保護(hù)性耕作技術(shù)得以成功實(shí)施的關(guān)鍵。該機(jī)械可以在不拖移地表覆蓋秸稈前提下一次性完成切斷種床秸稈、種床整理、側(cè)向深施底肥、單粒播種、覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)。2003年研究團(tuán)隊(duì)從美國引進(jìn)了東北地區(qū)第一臺(tái)免耕播種機(jī)（KINZE-3000型四行牽引式免耕播種機(jī)），該機(jī)械的引入和使用促成了東北地區(qū)真正意義上的免耕播種。然而，國外免耕播種機(jī)在東北地區(qū)存在諸多不適宜性，如壟距（76 cm）遠(yuǎn)大于東北當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)壟距（60-65 cm），而且自我國實(shí)行聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以來，由于大部分農(nóng)戶的農(nóng)田面積小，無法實(shí)現(xiàn)大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，即使是四行免耕播種機(jī)作業(yè)。因此，免耕播種機(jī)的國產(chǎn)化和小型化成為當(dāng)時(shí)迫切需要解決的問題。2007年，在吉林省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科技示范項(xiàng)目“四平市梨樹縣梨樹鎮(zhèn)、林海鎮(zhèn)黑土區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)示范”資助下，團(tuán)隊(duì)率先在梨樹縣開始保護(hù)性耕作技術(shù)的應(yīng)用示范，并促成了吉林康達(dá)免耕播種機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化（圖5）。當(dāng)前，康達(dá)免耕播種機(jī)已成為市場(chǎng)主流播種機(jī)被廣泛使用。在梨樹縣為期7年的示范推廣工作為“梨樹模式”的建立提供了不可或缺的技術(shù)支持。2013年團(tuán)隊(duì)又針對(duì)市場(chǎng)上免耕播種機(jī)存在的播種深度深淺不一、秸稈量大時(shí)機(jī)體過輕影響播種、肥箱內(nèi)置軸承容易卡死等問題，以技術(shù)入股的形式成立了長春中科東地農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司，研發(fā)了高性能的2BMZF-2Q和2BMZF-4Q型系列牽引式免耕播種機(jī)（圖6），在液壓系統(tǒng)、加力裝置、種肥箱、壟距調(diào)節(jié)、肥料變速箱等方面做出了創(chuàng)新集成，推動(dòng)了新一代免耕播種機(jī)的發(fā)展。該系列免耕播種機(jī)已在吉林、黑龍江、遼寧和內(nèi)蒙古等多地銷售。當(dāng)前，國產(chǎn)免耕播種機(jī)發(fā)展迅速，已經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)性能高、口碑好的免耕精量播種機(jī)械，除中科東地外，還有吉林康達(dá)、德邦大為、河北農(nóng)哈哈等品牌，基本保證了秸稈覆蓋還田免耕播種的順利完成。然而，隨著國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財(cái)政部《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃(2020—2025年)》的頒布和實(shí)施，加之東北地區(qū)春季播種期短，在保證秸稈覆蓋還田播種質(zhì)量的前提下，免耕播種機(jī)的數(shù)量和質(zhì)量成為當(dāng)前急需解決的問題，當(dāng)然也為農(nóng)機(jī)市場(chǎng)保護(hù)性耕作配套農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展帶來了前所未有的契機(jī)。

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4、結(jié)語

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組自2001年以來始終面向黑土保育與綠色發(fā)展國家重大戰(zhàn)略需求，聚焦保護(hù)性耕作提升黑土生態(tài)服務(wù)功能等關(guān)鍵科學(xué)問題，分別于2001年和2012年在吉林省德惠市和長春市建立了東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作長期定位試驗(yàn)基地，系統(tǒng)闡明了秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作提升黑土質(zhì)量和地力的機(jī)制與途徑，明確指出保護(hù)性耕作在吉林省中部糧食主產(chǎn)區(qū)保障玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的機(jī)理。，2007年開始在吉林省的梨樹、德惠、九臺(tái)和大安等市縣示范推廣保護(hù)性耕作技術(shù),研發(fā)了新一代免耕精量播種機(jī)，為保護(hù)性耕作在東北地區(qū)的大面積推廣提供了重要的理論依據(jù)與技術(shù)支持。團(tuán)隊(duì)發(fā)表黑土和保護(hù)性耕作相關(guān)方面的論文200余篇，其中SCI論文70多篇，累計(jì)引用頻次4500余次，位列東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作發(fā)文機(jī)構(gòu)首位。獲得吉林省自然科學(xué)獎(jiǎng)兩項(xiàng)，授權(quán)專利8項(xiàng)，軟件著作權(quán)3項(xiàng)。秸稈覆蓋還田保護(hù)性耕作示范推廣工作，為“梨樹模式”和吉林康達(dá)免耕播種機(jī)的研發(fā)應(yīng)用發(fā)揮了重要的開拓引領(lǐng)作用。2019年與吉林乾溢現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司合作在農(nóng)安縣哈拉海鎮(zhèn)建立了黑土地保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)集成示范區(qū)，旨在綜合開展黑土地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新技術(shù)研究示范，打造黑土地保護(hù)技術(shù)展示的重要示范窗口，引領(lǐng)黑土地保護(hù)與利用綠色協(xié)調(diào)發(fā)展。鑒于黑土區(qū)氣候特征和地理環(huán)境要素存在區(qū)域差異，建議在東北黑土區(qū)乃至全國尺度上建立多個(gè)保護(hù)性耕作試驗(yàn)示范平臺(tái)，統(tǒng)一監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范監(jiān)測(cè)方法，為科學(xué)地評(píng)估保護(hù)性耕作的區(qū)域適宜性提供必要的支撐平臺(tái)。未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦保護(hù)性耕作在黑土地力提升方面的理論研究與技術(shù)研發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注物理-化學(xué)-生物互作的內(nèi)在機(jī)制；因地制宜地探索和研發(fā)東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作技術(shù)的區(qū)域模式，為我國黑土地保護(hù)與利用及區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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