保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮效應(yīng)的影響研究進(jìn)展

薛建福, 趙 鑫, Shadrack Batsile Dikgwatlhe, 陳 阜, 張海林

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮效應(yīng)的影響研究進(jìn)展

薛建福, 趙 鑫, Shadrack Batsile Dikgwatlhe, 陳 阜, 張海林*

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

作物產(chǎn)量的高低主要取決于土壤肥力，如何保持并提高土壤肥力是確保我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)，也是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。土壤有機(jī)碳和氮素是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)平衡直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量。隨著全球氣候變化及環(huán)境污染問題的愈加突出，農(nóng)田土壤固碳及提高氮效率成為各界科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。目前，保護(hù)性耕作已成為發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一，對(duì)土壤固碳及氮素的利用具有很大的影響。深入了解保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳固持與氮素利用效率提高的影響機(jī)制，對(duì)于正確評(píng)價(jià)土壤肥力有著重要意義。但由于氣候、土壤及種植制度等條件不一致，關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮效應(yīng)結(jié)論不一。闡述了國際上保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量變化及其分解排放(如CO2和CH4)、氮素變化及其礦化損失(如NH3揮發(fā)、N2O排放與氮淋失)和碳氮素相互關(guān)系(如C/N層化率)影響的研究進(jìn)展，并分析了其影響因素和相關(guān)機(jī)理。盡管國內(nèi)保護(hù)性耕作的研究已進(jìn)行30 多年，但在土壤有機(jī)碳與氮素方面與國外相比依然有較大的差距。保護(hù)性耕作對(duì)土壤固碳與氮素利用的影響機(jī)制，碳素和氮素在土壤-植株-大氣系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移變化，及結(jié)合農(nóng)事管理等綜合評(píng)價(jià)其生態(tài)效應(yīng)的研究很少。在此基礎(chǔ)上，提出未來我國保護(hù)性耕作在土壤有機(jī)碳固定和氮素利用方面的重點(diǎn)研究方向：(1)在定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳及氮素利用的影響機(jī)制；(2)深入研究土壤有機(jī)碳和氮素的相互關(guān)系及其對(duì)土壤肥力的影響；(3)結(jié)合環(huán)境保護(hù)與土壤可持續(xù)管理對(duì)保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤固碳及氮素高效利用的系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究；(4)加強(qiáng)保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮效應(yīng)的宏觀研究，合理評(píng)價(jià)保護(hù)性耕措施下對(duì)農(nóng)田碳、氮綜合效應(yīng)。

保護(hù)性耕作; 土壤肥力; 土壤質(zhì)量; 土壤有機(jī)碳; 氮利用

土壤肥力是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征，對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量有重要的影響。目前，我國耕地的平均有機(jī)質(zhì)含量嚴(yán)重下降[1]，成為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制因素。土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解產(chǎn)生CO2和CH4等釋放到大氣中影響全球氣候變化；而我國氮肥過量施用且利用率較低，約有52%的活性氮流入生態(tài)系統(tǒng)[2]，造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。在人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾下，碳循環(huán)與氮循環(huán)間的直接或間接作用變得更加復(fù)雜[3]。保護(hù)性耕作已成為發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)之一[4]，綜合研究此措施下農(nóng)田碳、氮效應(yīng)對(duì)于深入了解土壤肥力變化及其生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。

1 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤碳效應(yīng)的影響

保護(hù)性耕作改變了農(nóng)田地表微環(huán)境，影響土壤有機(jī)碳含量及其礦化損失[5]。保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳、農(nóng)田碳排放損失的影響機(jī)制、土壤碳組分的變化及其與土壤質(zhì)量的關(guān)系是目前的研究熱點(diǎn)。

1.1 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響

一般認(rèn)為保護(hù)性耕作能夠增加土壤表層有機(jī)碳含量，但對(duì)深層土壤有機(jī)碳含量是否增加及其是否隨耕作年限的增加而持續(xù)變化結(jié)論不一致[4]。Kahlon等[6]對(duì)22 a的耕作試驗(yàn)研究得出，0—20 cm免耕土壤全碳含量較翻耕增加約30%，且隨著秸稈覆蓋量的增加而增加。Ussiri和Lal通過43a長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究認(rèn)為[7]，免耕由于減少了對(duì)土壤的擾動(dòng)而降低了土壤有機(jī)碳的礦化率，顯著增加0—15 cm土層有機(jī)碳含量；但不同的耕作措施15—30 cm土層有機(jī)碳含量差別不大。關(guān)于較深土壤剖面有機(jī)碳含量的研究很少，且大多結(jié)果表明不同耕作間深層土壤有機(jī)碳含量差異不大[8]，同時(shí)由于土壤類型、種植作物等試驗(yàn)條件不一致，導(dǎo)致分析結(jié)果的誤差較大。Blanco-Canqui和Lal等[9]研究認(rèn)為，保護(hù)性耕作能夠提高表層(0—10 cm)土壤有機(jī)碳含量，但對(duì)深層土壤碳含量的影響不大，甚至有降低的趨勢(shì)。VandenBygaart等[10]研究認(rèn)為大多取樣深度超過30 cm的試驗(yàn)中，與翻耕相比，免耕深層土壤有機(jī)碳含量較低。West和Post對(duì)全球67 個(gè)長(zhǎng)期定位耕作試驗(yàn)點(diǎn)的276 對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[11]，其中絕大多數(shù)研究測(cè)定的土壤有機(jī)碳取樣深度較淺(小于30 cm)，而種植作物的根系大多超過30 cm，且植株地下根系對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)較地上秸稈更大[12]，進(jìn)一步研究深層土壤有機(jī)碳對(duì)于正確評(píng)價(jià)土壤固碳非常必要。

1.2 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳排放的影響

傳統(tǒng)翻耕措施破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)碳暴露而加快土壤有機(jī)碳分解[13]，而保護(hù)性耕作措施減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，降低了部分農(nóng)資投入，從而直接或間接降低農(nóng)田碳排放[4]。

一般認(rèn)為保護(hù)性耕作能夠減少農(nóng)田土壤CO2排放量。Ussiri和Lal研究認(rèn)為[7]，免耕由于作物殘茬覆蓋在地表，減少與土壤接觸而分解較慢，并減弱了土壤向大氣排放CO2，降低了土壤CO2排放量。Franzluebbers等[14]研究認(rèn)為，免耕能夠保持表層土壤較高的水分和有機(jī)碳含量而有利于微生物分解活動(dòng)，較翻耕有等量或者更大的CO2排放量。Li等[15]在華中稻田研究認(rèn)為，當(dāng)氣溫和土壤溫度較高且沒有差異時(shí)，耕作對(duì)土壤CO2排放沒有影響；但在正常氣候條件下，免耕增加土壤CO2排放，這可能與不同耕作條件下土壤微生物活性和碳素礦化等有關(guān)。田慎重等[16]在華北平原研究認(rèn)為，CO2日均排放通量為翻耕秸稈還田gt;翻耕秸稈不還田gt;免耕，土壤地表和5 cm溫度顯著影響CO2排放。耕作方式對(duì)土壤CO2排放的影響復(fù)雜[17]，短期耕作與長(zhǎng)期耕作對(duì)土壤產(chǎn)生不同的效應(yīng)，進(jìn)一步加強(qiáng)分析試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)土壤CO2排放的影響十分必要。

許多研究表明旱地生態(tài)系統(tǒng)CH4排放損失很少，甚至為弱CH4吸收匯[16,18- 19]，而淹水稻田則為CH4的主要排放源。這可能由于耕作改變土壤性質(zhì)、植株特性和微生物活性，引起土壤氧化還原電勢(shì)與土壤水分發(fā)生變化而導(dǎo)致土壤CH4排放不同。Hanaki等[20]研究得出，與翻耕相比，免耕稻田土壤電子受體濃度較低而抑制CH4排放。Pandey等[21]研究認(rèn)為減少耕作可以顯著降低CH4排放量。Ahmad等[22]研究認(rèn)為，免耕土壤容重較高而降低土壤大孔隙度，從而減少CH4排放；而在施肥條件下，與Hanaki和Harada等[20,23]的研究結(jié)果相似，但由于土壤特性等條件不一致，CH4排放量降低的程度稍有不同。魏海蘋等[24]分析認(rèn)為，中國稻田單位面積CH4排放量總體為單季稻gt;雙季晚稻gt;雙季早稻，單季稻與晚稻的CH4排放無顯著差異。Li等[25]研究江西雙季稻田認(rèn)為，免耕土壤較低的可溶性有機(jī)碳含量和較高的土壤容重是CH4排放降低的原因。張海林等[26- 27]在湖南雙季稻田的研究認(rèn)為，不同耕作條件下雙季稻生長(zhǎng)季為CH4的主要排放期，而冬閑季節(jié)所占比重不到全年的1%，早稻和晚稻生長(zhǎng)季CH4排放量均以保護(hù)性耕作最低，且認(rèn)為土壤含水量變化、曬田和間歇灌溉等影響稻田CH4排放。

關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)碳排放的研究主要集中在農(nóng)田土壤排放，而農(nóng)田各項(xiàng)投入的碳排放損失考慮較少。國外學(xué)者認(rèn)為，在評(píng)價(jià)農(nóng)田碳排放時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮能耗引起的CO2排放量[28- 29]。West與Marland認(rèn)為[28]農(nóng)業(yè)投入部分應(yīng)當(dāng)考慮到農(nóng)田碳效應(yīng)研究中，他們基于美國平均農(nóng)資投入數(shù)據(jù)，在宏觀尺度下比較不同耕作方式下農(nóng)資投入對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)換為免耕可以減少化石燃料使用而降低碳排放。Lal認(rèn)為[29]，不同的耕作措施間消耗的能源有很大差異，傳統(tǒng)翻耕產(chǎn)生的碳排放約為35.3 kg/hm2，而免耕僅為5.8 kg/hm2。伍芬琳等[30]對(duì)我國華北平原的研究認(rèn)為，與翻耕相比，少免耕明顯降低了農(nóng)田碳排放量。但由于國內(nèi)相關(guān)研究大多基于國外的碳排放系數(shù)，未能真實(shí)體現(xiàn)國內(nèi)相關(guān)的碳排放量，進(jìn)一步研究國內(nèi)農(nóng)田各項(xiàng)投入的相關(guān)參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)農(nóng)田碳效應(yīng)很有必要。近年來，眾多學(xué)者通過農(nóng)業(yè)碳足跡評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)定量計(jì)算人類在一定時(shí)間和空間邊界內(nèi)，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放總量以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的分量，這對(duì)于明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是碳源還是碳匯具有重要意義[31]。

1.3 保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳組分與土壤質(zhì)量關(guān)系的影響

一般認(rèn)為保護(hù)性耕作措施有利于土壤團(tuán)聚體形成，并能夠提高表層土壤大團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量[32- 33]。Zhang等[34]對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳研究表明，較傳統(tǒng)翻耕而言，壟作增加了所有粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量，免耕則增加了微粒團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量。Zhao等[35]進(jìn)行26a試驗(yàn)研究認(rèn)為，與免耕、深松等保護(hù)性措施相比，翻耕土壤500—1000 μm粒級(jí)團(tuán)聚體中活性碳含量分別降低53.03%與72.72%，慢性有機(jī)碳分別增加18.77%與24.86%，惰性有機(jī)碳含量沒有顯著不同；而耕作措施對(duì)50—500 μm粒徑團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分的含量沒有顯著影響。Zhao等[35]利用CPMAS13C NMR技術(shù)分析不同耕作措施下土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)認(rèn)為，免耕提高烷基碳含量，深松增加烷氧基碳的含量，而翻耕則羰基碳含量較高;因此，保護(hù)性耕作土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)組成較翻耕復(fù)雜，土壤有機(jī)碳更加穩(wěn)定。

2 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田氮素利用效率的影響

關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)氮素利用率的研究主要集中在土壤氮素含量的變化，NH3揮發(fā)、N2O排放與氮淋失等損失及其影響機(jī)制方面。

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)土壤氮素含量的影響

一般實(shí)施保護(hù)性耕作能夠提高表層土壤的全氮含量。許多研究表明，大多干旱半干旱區(qū)種植系統(tǒng)中，相對(duì)翻耕措施，免耕可以保持甚至提高土壤全氮含量[36- 37]。Sainju認(rèn)為[38]免耕通過降低氮素侵蝕等損失而增加全氮含量。目前，對(duì)于深層土壤全氮含量是否增加的看法并不一致。López-Fando和Pardo研究認(rèn)為[39]，免耕顯著提高表層0—5 cm的全氮含量，但對(duì)5—30 cm土壤全氮含量影響較小。Varvel等[40]則認(rèn)為，相比較翻耕，免耕等保護(hù)性耕作措施提高0—150 cm土壤全氮含量。對(duì)于不同的結(jié)果可能與試驗(yàn)區(qū)域條件、作物種類與種植制度等因素有關(guān)，需要進(jìn)一步探討分析。另外，耕作試驗(yàn)?zāi)晗抟鄬?duì)土壤全氮含量有一定影響。Dalal等[37,41]比較22 a與40a的耕作試驗(yàn)認(rèn)為，長(zhǎng)期實(shí)施保護(hù)性耕作對(duì)0—150 cm土層全氮含量的影響較小，土壤全氮含量并不隨著耕作年限的增加而持續(xù)增加。Lou等[42]在我國東北地區(qū)進(jìn)行不同年限的多點(diǎn)耕作試驗(yàn)認(rèn)為，與翻耕相比，免耕秸稈還田措施均顯著提高0—5 cm土層全氮含量，而對(duì)5—100 cm土層影響不大。羅珠珠等[43]在我國西北對(duì)不同輪作系統(tǒng)研究認(rèn)為，免耕秸稈還田顯著提高0—10 cm土層全氮含量，對(duì)10—30 cm土層全氮含量影響不大，并認(rèn)為脲酶活性與全氮含量呈顯著正相關(guān)。與國外相比，國內(nèi)相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮的因素相對(duì)較少，且年限較短，由于我國不同地區(qū)氣候、土壤及種植制度等差異較大，關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)土壤全氮的影響機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

2.2 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田氮素?fù)p失的影響

目前，關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田NH3揮發(fā)、N2O排放及氮淋失等損失的影響是此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而氮素通過農(nóng)田徑流損失的研究很少。

很多研究表明保護(hù)性耕作能夠增加農(nóng)田NH3揮發(fā)。Rochette等[44]研究認(rèn)為，免耕能夠提高表層土壤脲酶活性，施入農(nóng)田的肥料更容易水解為銨態(tài)氮，同時(shí)，免耕土壤表面秸稈覆蓋度增加而減少了肥料和土壤顆粒的接觸，降低了土壤顆粒對(duì)銨態(tài)氮吸附；而土壤pH升高導(dǎo)致免耕措施NH3揮發(fā)顯著增加；此外，翻耕肥料易進(jìn)入到土壤孔隙中，也導(dǎo)致土壤NH3揮發(fā)降低。Mkhabela等[45]研究認(rèn)為，相對(duì)免耕，翻耕措施能夠?qū)⑹┤朕r(nóng)田的肥料摻混到土壤而降低NH3揮發(fā)。曹湊貴等[46]研究認(rèn)為，免耕可以顯著增加稻田土壤NH3揮發(fā)。眾多結(jié)果表明，免耕增加了施入農(nóng)田有機(jī)肥[45]、尿素[47]和復(fù)合肥[48]等肥料的NH3揮發(fā)損失；但不施肥情況下，免耕與翻耕土壤NH3揮發(fā)差異不顯著[47,49]。Griggs等[50]進(jìn)行水稻旱播與推遲灌溉試驗(yàn)認(rèn)為，耕作措施對(duì)NH3揮發(fā)沒有影響，但砂粘壤土比粘土NH3揮發(fā)更快。一般農(nóng)田土壤NH3揮發(fā)的高峰主要發(fā)生在施肥后的1—3 d，但由于土壤類型、氣候條件、種植模式及施肥位置等條件不同，NH3揮發(fā)日峰值與年揮發(fā)量在不同的試驗(yàn)中結(jié)果不一致。

一般認(rèn)為保護(hù)性耕作能夠增加農(nóng)田土壤N2O排放。保護(hù)性耕作通過提高土壤表面微生物活性而改變硝化和反硝化過程，從而影響土壤N2O排放[51]。Mutegi等[52]研究認(rèn)為，在地表秸稈覆蓋條件下，翻耕N2O排放量較深松或旋耕顯著提高，而地表無覆蓋條件下不同耕作間N2O排放量差別不大。免耕土壤容重和土壤含水量較高，較低的通氣性產(chǎn)生厭氧環(huán)境導(dǎo)致土壤反硝化作用增強(qiáng)[53- 54]。Rochette[55]按作物生長(zhǎng)季土壤排水和降水將土壤劃分為通氣性良好、中等和不良3 個(gè)等級(jí)分析加拿大25 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)認(rèn)為，相比較翻耕，免耕對(duì)通氣性良好及中等的土壤N2O排放影響不大；但在通氣不良的土壤上免耕能夠增加土壤N2O排放，這可能與通氣不良的免耕土壤充水孔隙度更容易達(dá)到反硝化作用的臨界值有關(guān)，同時(shí)，土壤質(zhì)地與氣候條件也可能與免耕土壤N2O排放有關(guān)[55- 57]。Sheehy等[57]認(rèn)為土壤質(zhì)地對(duì)N2O排放有一定影響，在粘質(zhì)土壤免耕N2O的累計(jì)排放量高于翻耕，而在粗質(zhì)土壤則相反。Elder和Lal則認(rèn)為[58]，與翻耕相比，免耕土壤容重較大、充氣孔隙度/總孔隙度之比較小，導(dǎo)致土壤通氣性差，限制土壤N2O向大氣排放，導(dǎo)致免耕土壤較低的N2O排放；同時(shí)，翻耕后土壤有機(jī)物質(zhì)的暴露有利于有機(jī)氮的礦化分解，產(chǎn)生較多的硝態(tài)氮有利于反硝化作用而釋放更多的N2O[58- 59]，這可能與耕作年限較短有關(guān)。Gregorich等[60]研究認(rèn)為，免耕土壤連續(xù)3a的總N2O排放量較翻耕降低，但由于年際間施肥時(shí)間、施肥位置及氣候條件等因素不同，年際間不同耕作措施土壤N2O排放情況不同。Choudhary等[61]研究認(rèn)為，免耕與翻耕土壤N2O排放差異不大，這可能由于土壤差異性和測(cè)量方法有關(guān)。Zhang等[48]研究認(rèn)為，不施肥條件下免耕與翻耕稻田N2O排放量差別不大，而施用復(fù)合肥條件下免耕較翻耕N2O排放量顯著增加，這可能與免耕+復(fù)合肥措施下土壤較大的團(tuán)聚體和較高的反硝化率有關(guān)。相比較國外，國內(nèi)的相關(guān)農(nóng)田土壤N2O排放的研究較少且對(duì)于影響因素及其機(jī)制不夠深入。

保護(hù)性耕作能夠降低滲漏水中的硝態(tài)氮含量，但增加滲漏水量而導(dǎo)致硝態(tài)氮淋失量增加。大量研究表明[62- 63]，相比翻耕，免耕土壤反硝化率更大而消耗較多的硝態(tài)氮，導(dǎo)致土壤滲漏水中硝態(tài)氮含量降低。Zhang等[48]則認(rèn)為，由于免耕土壤更高的N2O排放與NH3揮發(fā)，而導(dǎo)致其滲漏液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量高于翻耕土壤。一般施行免耕容易使土壤形成連續(xù)的大孔隙而造成滲漏水量顯著增加[64- 65]，而Mkhabela等[45]認(rèn)為耕作對(duì)滲漏水的影響不顯著，這可能與不同的作物種類、耕作年限、土壤類型與種植制度等有關(guān)。大多學(xué)者認(rèn)為，免耕土壤滲漏水量高是導(dǎo)致滲漏液中氮淋失量增加的主要原因[66]，但部分學(xué)者認(rèn)為，翻耕能夠增加土壤氮素礦化，同時(shí)，免耕土壤的厭氧環(huán)境促進(jìn)反硝化作用，導(dǎo)致翻耕土壤更高的淋失量[63,66]。時(shí)秀煥等[67]在我國東北黑土區(qū)進(jìn)行玉米→大豆輪作研究認(rèn)為，試驗(yàn)期間耕作對(duì)玉米小區(qū)土壤硝態(tài)氮淋失影響不大，而與翻耕相比，免耕實(shí)施4 年后對(duì)大豆小區(qū)土壤硝態(tài)氮淋失的影響開始顯現(xiàn)，這主要是根系生長(zhǎng)造成土壤孔隙大小的差異而導(dǎo)致硝態(tài)氮淋失發(fā)生變化。崔思遠(yuǎn)等[68]在湖南雙季稻區(qū)研究表明，由于免耕秸稈還田明顯提高土壤飽和導(dǎo)水率，導(dǎo)致硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的淋失量增加，且銨態(tài)氮滲漏量高于硝態(tài)氮。由于在大多文獻(xiàn)試驗(yàn)中，農(nóng)田水分滲漏量主要通過滲漏儀測(cè)定或水平衡法等估算得出，利用水平衡法估算受很多農(nóng)田試驗(yàn)不可預(yù)測(cè)的因素影響(如風(fēng)對(duì)蒸散的影響)，導(dǎo)致估算的滲漏液淋失量與儀器測(cè)量結(jié)果不一致。

3 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)碳、氮素關(guān)系的影響

人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾地球碳循環(huán)和氮循環(huán)而加劇溫室效應(yīng)，而溫室效應(yīng)間接影響植株初級(jí)生產(chǎn)力、生物固氮、土壤硝化反硝化作用及C/N變化等生物化學(xué)循環(huán)過程，但影響機(jī)制卻還不十分清楚[69]。保護(hù)性耕作增加表層土壤有機(jī)碳和全氮含量，在土壤剖面出現(xiàn)層化現(xiàn)象[70- 71]，了解土壤C/N層化現(xiàn)象對(duì)理解土壤碳氮關(guān)系有著重要意義。

土壤層化率通常被用來作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量或土壤生態(tài)功能的一個(gè)指標(biāo)[70]，特別是有由于耕作所造成的土壤理化性狀的變化，如土壤有機(jī)碳[11]、孔隙度[72]和團(tuán)聚體穩(wěn)定性[73]等，通過分析保護(hù)性耕作對(duì)各土壤性質(zhì)層化率的影響，能夠有助于理解保護(hù)性耕作對(duì)生態(tài)效應(yīng)的影響。一般認(rèn)為翻耕擾動(dòng)土壤而使養(yǎng)分在耕層分布均勻[74]，而免耕秸稈殘留在土壤表面而使養(yǎng)分在表層富集。Franzluebbers認(rèn)為[70]，退化的土壤有機(jī)質(zhì)層化比率很少大于2，高層化率表示土壤質(zhì)量較好，通常免耕土壤有機(jī)碳和全氮的層化率大于2，而翻耕土壤則小于2。有研究表明，短期耕作(lt; 9a)對(duì)土壤氮庫的層化率沒有顯著影響，而此后隨著年限的增加，免耕土壤氮庫層化率顯著高于翻耕，且免耕19a后其比率大于2[41]。Corral-Fernández等[71]對(duì)85 個(gè)土壤剖面分析得出，長(zhǎng)期少免耕能夠提高土壤有機(jī)碳、全氮及C/N的層化率，其認(rèn)為由于作物秸稈殘茬比根系更有利于增加土壤C/N率[75]；免耕措施秸稈主要覆蓋在土壤表面，因此，隨著土壤深度的增加土壤C/N呈降低趨勢(shì)。Lou等[42]認(rèn)為免耕表層土壤有機(jī)碳腐解力較翻耕有所降低，而相對(duì)提高土壤有機(jī)碳、全氮及C/N層化率。孫國峰等[76]研究南方雙季稻田認(rèn)為，長(zhǎng)期免耕后，實(shí)施翻耕、旋耕降低表層(0—5 cm)土壤有機(jī)碳含量，提高了5—20 cm層次土壤有機(jī)碳含量，進(jìn)而降低耕層土壤有機(jī)碳層化率。相比較國外，國內(nèi)關(guān)于土壤有機(jī)碳、全氮及C/N的層化率的研究較少，由于土壤C/N受多種因素的影響(如氣候、土壤條件、植被種類、農(nóng)田管理措施等)，分析不同環(huán)境條件下保護(hù)性耕作土壤C/N層化率對(duì)于正確評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量有重要作用。

4 中國保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮素肥力影響研究展望

多年來有關(guān)土壤碳、氮素肥力的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者探討的熱點(diǎn)。保護(hù)性耕作作為生態(tài)友好型技術(shù)，對(duì)于農(nóng)田土壤碳、氮素肥力的維持和改善起著重要的作用。目前，我國保護(hù)性耕作對(duì)土壤碳素與氮素肥力效應(yīng)的研究與國外依然有一定的差距。綜上分析認(rèn)為，未來我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究應(yīng)重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：

(1)加強(qiáng)保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤碳、氮素肥力影響及其機(jī)制的研究。由于我國幅員遼闊，氣候條件復(fù)雜與種植制度多樣化等因素不同，導(dǎo)致不同區(qū)域農(nóng)田土壤碳、氮素含量變化及其轉(zhuǎn)化損失的主導(dǎo)影響因素有所差異。加強(qiáng)不同區(qū)域相關(guān)的研究，了解各區(qū)域農(nóng)田土壤肥力保持與損失機(jī)制，對(duì)于正確評(píng)價(jià)保護(hù)性耕作對(duì)我國農(nóng)田碳、氮素相關(guān)肥力的影響有重要的意義。同時(shí)，隨著我國栽培技術(shù)水平的提高和區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，應(yīng)考慮在不同層次生產(chǎn)力水平上的研究，以適應(yīng)未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于實(shí)施保護(hù)性耕作年限的長(zhǎng)短對(duì)土壤性質(zhì)的影響程度不同，短期與長(zhǎng)期定位試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)于揭示保護(hù)性耕作對(duì)土壤肥力的影響有重要的意義。

(2)結(jié)合土壤肥力以及碳素和氮素在作物體內(nèi)和大氣中轉(zhuǎn)移變化及其相互影響機(jī)理，系統(tǒng)研究保護(hù)性耕作對(duì)土壤肥力的影響及利用效率。目前，保護(hù)性耕作對(duì)土壤肥力的研究主要集中在土壤碳、氮含量的變化與損失方面，而關(guān)于地上部分作物對(duì)養(yǎng)分吸收及其利用效率的研究較少。結(jié)合作物種類、土壤類型、氣候條件和種植制度等因素，綜合考慮多元條件分析“土壤-植物-大氣”系統(tǒng)保護(hù)性耕作對(duì)碳、氮素肥力變化的影響機(jī)理，才能正確理解保護(hù)性耕作對(duì)作物碳、氮素等養(yǎng)分利用機(jī)制。同時(shí)，土壤碳素和氮素在土壤中主要是以腐殖質(zhì)的形式存在，耕作能夠影響土壤理化特性，影響土壤碳、氮素的礦化分解、轉(zhuǎn)化引起土壤肥力發(fā)生變化，但保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)碳素和氮素的相互關(guān)系尚不明確。關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮素相互關(guān)系的研究主要集中于土壤C/N及其層化率分布，探索新的評(píng)價(jià)指標(biāo)及研究方法，對(duì)分析農(nóng)田土壤肥力變化有著重要作用。

(3)綜合環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳素和氮素影響的綜合研究。目前大多研究只注重農(nóng)田的排放部分，很少考慮各項(xiàng)農(nóng)資投入消耗能源產(chǎn)生的碳、氮排放；同時(shí)，由于過量施肥造成大量的氮素通過揮發(fā)、硝化反硝化過程等損失，并造成了地下水體污染、富營養(yǎng)化、臭氧層破壞等嚴(yán)重的環(huán)境問題，耕作能夠改變土壤理化特性而影響各環(huán)節(jié)的損失量。因此，在加強(qiáng)保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤肥力研究的同時(shí)，結(jié)合其生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行綜合分析對(duì)于系統(tǒng)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著更加重要的意義。

(4)加強(qiáng)關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳素和氮素效應(yīng)的宏觀研究。目前，大多關(guān)于耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮效應(yīng)影響的研究多從微觀農(nóng)田尺度比較分析，進(jìn)行全國或區(qū)域尺度的研究對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)施保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮素綜合效應(yīng)及環(huán)境保護(hù)政策的制定與發(fā)展有重要意義。由于缺乏全國或區(qū)域尺度的土壤參數(shù)數(shù)據(jù)及適當(dāng)?shù)哪M模型或評(píng)估方法，對(duì)我國農(nóng)田碳、氮效應(yīng)宏觀尺度的研究主要利用已有文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。利用模型進(jìn)行區(qū)域模擬與評(píng)估發(fā)展相對(duì)滯后，相關(guān)的模型及模擬的指標(biāo)較少，且模型需要的參數(shù)不易獲得，其結(jié)果缺乏一定的綜合性、系統(tǒng)性及可靠性，因此探索適合我國種植制度的模型參數(shù)，對(duì)于正確評(píng)價(jià)保護(hù)性耕作對(duì)土壤碳、氮效應(yīng)具有重要的意義。

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Advancesineffectsofconservationtillageonsoilorganiccarbonandnitrogen

XUE Jianfu, ZHAO Xin, Shadrack Batsile Dikgwatlhe, CHEN Fu, ZHANG Hailin*

CollegeofAgronomyandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofFarmingSystem,MinistryofAgricultureofthePeople′sRepublicofChina,Beijing100193,China

conservation tillage; soil fertility; soil quality; soil organic carbon; nitrogen use

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201103001)

2013- 05- 12;

2013- 07- 23

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hailin@cau.edu.cn

10.5846/stxb201305121021

薛建福, 趙鑫, Shadrack Batsile Dikgwatlhe, 陳阜, 張海林.保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳、氮效應(yīng)的影響研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(19):6006- 6013.

Xue J F, Zhao X, Dikgwatlhe S B, Chen F, Zhang H L.Advances in effects of conservation tillage on soil organic carbon and nitrogen.Acta Ecologica Sinica,2013,33(19):6006- 6013.