東北地理所在保護(hù)性耕作提升黑土有機(jī)碳及其機(jī)制方面取得系列進(jìn)展
編輯:2022-12-05 17:04:59
陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約為大氣碳庫(kù)儲(chǔ)量的2倍,其變化對(duì)二氧化碳濃度影響巨大。與草地、森林等自然生態(tài)系統(tǒng)相比,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類(lèi)活動(dòng)的影響更為劇烈,頻繁地耕作伴隨秸稈移除會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量迅速衰減。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的下降導(dǎo)致土壤肥力退化以及土地生產(chǎn)力的下降,嚴(yán)重威脅著國(guó)家的糧食安全。東北黑土區(qū)作為我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)基地的重要原因在于黑土是一種自然肥力高、富含有機(jī)質(zhì)且適于耕作的土壤,具有良好的土壤肥力與物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。然而,近百年來(lái)的大規(guī)模耕墾加之管理不善,以傳統(tǒng)耕作(秸稈焚燒+秋翻)為主的耕作措施導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的急劇下降,迫使我們需要改進(jìn)耕作措施來(lái)阻止土壤有機(jī)碳的繼續(xù)流失。因此,我們提出了利用保護(hù)性耕作來(lái)增加土壤有機(jī)碳含量進(jìn)而提升土壤生產(chǎn)力,然而保護(hù)性耕作的作用在國(guó)際學(xué)術(shù)界存在著廣泛的爭(zhēng)議,需要通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)來(lái)明確其對(duì)土壤有機(jī)碳的影響及機(jī)制。
東北地理所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組以保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地(始于2001年)為研究平臺(tái),開(kāi)展了系列保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化影響的研究,揭示了有機(jī)碳不同組分對(duì)不同耕作措施的響應(yīng)機(jī)制。通過(guò)定位連續(xù)監(jiān)測(cè),我們發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作連續(xù)實(shí)施5年后,表層5cm土壤有機(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28.28g/kg提升至43.02g/kg。保護(hù)性耕作下有機(jī)碳儲(chǔ)量增加速率最高可達(dá)到0.80Mg C ha?1 yr?1,作物碳進(jìn)入土壤比例為16%左右,而傳統(tǒng)性耕作則以0.52Mg C ha?1 yr?1的速率繼續(xù)減少有機(jī)碳儲(chǔ)量(表1)。該部分研究成果被2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)的《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃(2020—2025年)》采用,為保護(hù)性耕作在東北地區(qū)大面積推廣應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),我們利用物理及化學(xué)分組方法明晰了保護(hù)性耕作對(duì)不同碳庫(kù)分布的影響:從團(tuán)聚體角度出發(fā),證明了保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳長(zhǎng)期固存的積極作用,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(圖1);化學(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、植物吸收利用的活性碳庫(kù),同時(shí)也增加了有利于長(zhǎng)期固碳的惰性碳庫(kù),全面揭示了不同有機(jī)碳組分對(duì)保護(hù)性耕作的響應(yīng)情況,為深入研究其固定機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。表1.不同耕作措施下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(0-30cm)及其變化速率、產(chǎn)量和碳投入
注:Initial:2001年;NTMS:免耕+玉米大豆輪作;MPMS:秋翻+玉米大豆輪作;NTMM:免耕+玉米連作;MPMM:秋翻+玉米連作;CTMM:傳統(tǒng)性耕作;Ca:年均碳投入(MgC ha-1 yr-1);SOC:土壤有機(jī)碳;Rc:SOC儲(chǔ)量變化速率(MgC ha-1 yr-1);Cr:作物碳?xì)埩袈?。同一行相同小?xiě)字母表示無(wú)顯著差異(P> 0.05)。
圖1.與傳統(tǒng)性耕作相比不同耕作措施土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在各粒徑中分配情況注:NTMS:免耕+玉米大豆輪作;MPMS:秋翻+玉米大豆輪作;NTMM:免耕+玉米連作;MPMM:秋翻+玉米連作;SOC:土壤有機(jī)碳;LF:輕組物質(zhì);Sand:砂粒;Silt:粉粒;Clay:粘粒;平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=4;不同耕作措施下相同小寫(xiě)字母表示無(wú)顯著性差異(P> 0.05)。相關(guān)研究結(jié)果先后發(fā)表在國(guó)際土壤科學(xué)領(lǐng)域主流學(xué)術(shù)期刊Geoderma,Soil& Tillage Research和European Journal of Soil Science上。張延博士為第一作者,梁愛(ài)珍(青促會(huì)會(huì)員)研究員為通訊作者,該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金(41877095和414308537)、中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目(QYZDB-SSW-DQC035)、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)人才項(xiàng)目(2015183)共同資助。
聯(lián)系我們
? ? ? ?如果我們敢想,勇于接受新觀念,樂(lè)于同我們的土壤合作而不是濫用它,我們將會(huì)看到保護(hù)性農(nóng)業(yè)是引導(dǎo)我們走向前所未見(jiàn)的高產(chǎn)農(nóng)業(yè)的有效途徑。這不僅是為了戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期,更是為了戰(zhàn)后的和平年代?(Hugh?Hammond Bennett,?1943)