• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

农田土壤固碳与增产协同效应研究进展

徐明岗 张旭博 孙楠 张文菊

引用本文:
Citation:

农田土壤固碳与增产协同效应研究进展

    作者简介: 徐明岗(1961—),男,陕西杨凌人,博士,研究员,主要从事农田土壤肥力与培育研究。E-mail:xuminggang@caas.cn;
  • 基金项目: 国家重点基金(41620104006);国家重点研发计划项目(2016YFE0112700)资助。

Advance in research of synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yields improvement in croplands

  • 摘要: 农田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和实现农田持续稳定生产能力的关键所在。明确农田土壤固碳与作物增产的协同效应可为不同区域土壤培肥、维持和提升作物产量提供依据。农田土壤固碳明显受到气候、土壤属性、管理措施 (尤其是施肥和耕作)、轮作制度等因素的影响,且与农田作物产量密切相关,二者具有明显的协同效应。农田土壤有机碳与作物增产协同效应存在一定的阈值,且该阈值具有一定的区域差异。东北地区土壤有机碳阈值约为C 44~46 t/hm2,西北和华北地区约为C 22~28 t/hm2,南方地区约为C 33~37 t/hm2。经验方程和模型模拟结果表明,在不同区域,农田土壤每固定C 1.0 t/(hm2·a)有机碳,粮食作物产量可平均提升约0.7 t/hm2,但该响应值在各地区明显受到相应的环境及农田管理措施等因素的影响。深入理解农田固碳过程及其与作物生产力协同作用的机理,是指导不同区域合理培肥、提高土壤肥力、提高养分资源利用效率的关键举措。未来的研究方向和重点是明确不同区域农田土壤可实现的固碳潜力,进一步揭示集约化种植下农田土壤有机碳的固存机制,关注深层土壤有机碳固定对作物增产潜力的影响及贡献,并深入分析表征环境、人为因素等对农田土壤固碳增产协同效应的影响机制及调控原理。
  • 图 1  农田土壤固碳的增产协同效应与阈值

    Figure 1.  The synergistic effects of enhanced SOC sequestration on crop yield and its threshold

    表 1  我国旱作系统不同施肥下土壤有机碳固定速率与作物产量增产率及稳定性[53]

    Table 1.  Soil organic carbon sequestration rate and increasing rate and stability of crops yield under different fertilization treatments in upland of China

    试验点
    Location
    处理
    Treatment
    SOC 起始值
    Initial SOC
    (g/kg)
    固碳速率
    Sequestration rate
    [t/(hm2·yr)]
    玉米 Maize 小麦 Wheat
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    增产率
    Increment
    (%)
    变异系数
    CV
    (%)
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    增产率
    Increment
    (%)
    变异系数
    CV
    (%)
    哈尔滨
    Harbin
    Non-fertilizer 15.43 –0.20 6237 c 11 1995 d 21
    CF –0.08 8047 ab 29 17 3477 ab 74 28
    CF+FM < 0.01 8197 a 31 18 3570 a 79 26
    FM 0.04 7301 ab 17 12 2776 b 39 22
    公主岭
    Gongzhuling
    Non-fertilizer 13.05 –0.20 3651 c 24
    CF 0.10 8986 a 146 18
    CF+FM 0.77 8969 a 146 21
    乌鲁木齐
    Urumqi
    Non-fertilizer 9.49 –0.17 4199 c 39 996 d 50
    CF –0.19 7010 ab 67 29 4157 ab 317 29
    CF+FM 0.47 7806 a 86 28 4687 ab 370 25
    CF+S –0.26 7650 ab 82 19 3736 b 275 33
    张掖
    Zhangye
    Non-fertilizer 11.54 –0.42 6023 d 58 2162 d 53
    CF –0.23 11981 ab 159 11 5443 ab 152 15
    CF+FM 0.18 12703 a 111 12 5844 a 170 15
    徐州
    Xuzhou
    Non-fertilizer 6.5 –0.10 3051 e 15 1735 e 19
    CF 0.07 6842 b 124 8 5852 b 237 11
    CF+FM 0.76 7595 a 149 9 6566 a 279 8
    郑州
    Zhengzhou
    Non-fertilizer 6.67 –0.12 3111 c 27 1950 c 23
    CF 0.09 6272 a 102 24 6219 a 219 13
    CF+FM 0.46 6543 a 110 22 5698 a 192 15
    CF+S 0.30 6941 a 123 22 6067 a 211 13
    祁阳
    Qiyang
    Non-fertilizer 8.58 –0.14 292 f 77 396 e 27
    CF 0.13 3275 c 1021 46 1232 bc 211 45
    CF+FM 0.77 5044 b 1627 23 1644 a 315 25
    CF+S 0.39 3806 c 1203 42 1412 ab 257 37
    注(Note):Non-fertilizer—不施肥 No fertilizer input;CF—施化肥 Applying chemical fertilizers; FM—单施有机肥 Applying manure alone;CF+FM—化肥+有机肥 Chemical fertilizer plus organic manure;CF+S—化肥+秸秆 Chemical fertilizer plus straw cooperation.
    下载: 导出CSV
  • [1] Melillo J M, Kicklighter D W, McGuire A D, et al. Global change and its effects on soil organic carbon stocks[J]. Environmental Sciences Research Report, 1995, 16: 175–189.
    [2] Franzluebbers A J. Soil organic carbon sequestration and agricultural greenhouse gas emissions in the southeastern USA[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 83(1): 120–147.
    [3] Powlson D S, Whitmore A P, Goulding K W T. Soil carbon sequestration to mitigate climate change: a critical re-examination to identify the true and the false[J]. European Journal of Soil Science, 2011, 62(1): 42–55.
    [4] FAO. FAOSTAT Database—Agriculture production[Z]. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2010.
    [5] D’Hose T, Cougnon M, De Vliegher A, et al. The positive relationship between soil quality and crop production: A case study on the effect of farm compost application[J]. Applied Soil Ecology, 2014, 75: 189–198.
    [6] Sun W J, Huang Y, Zhang W, et al. Carbon sequestration and its potential in agricultural soils of China[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2010, 24(3): 1154–1157.
    [7] Qin Z, Huang Y, Zhuang Q. Soil organic carbon sequestration potential of cropland in China[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2013, 27(3): 711–722.
    [8] Janzen H H. Carbon cycling in earth systems-a soil science perspective[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2004, 104(3): 399–417.
    [9] Bondlamberty B, Thomson A. Temperature-associated increases in the global soil respiration record[J]. Nature, 2010, 464(7288): 579–582.
    [10] Zhu B. Rhizosphere priming effect increases the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition[J]. Global Change Biology, 2011, 17(6): 2172–2183.
    [11] Glardina C P, Ryan M G. Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not vary with temperature[J]. Nature, 2000, 404(6780): 858–861.
    [12] Davidson E A, Janssens I A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change[J]. Nature, 2006, 440(7081): 165.
    [13] Six J, Conant R T, Paul E A, et al. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils[J]. Plant and Soil, 2002, 241(2): 155–176.
    [14] Hassink J. The capacity of soils to preserve organic C and N by their association with clay and silt particles[J]. Plant and Soil, 1997, 191(1): 77–87.
    [15] Six J, Bossuyt H, Degryze S, et al. A history of research on the link between (micro) aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics[J]. Soil and Tillage Research, 2004, 79(1): 7–31.
    [16] Zhang W J, Wang X J, Xu M G, et al. Soil organic carbon dynamics under long-term fertilizations in arable land of northern China[J]. Biogeosciences, 2010, 7(2): 409–425.
    [17] Pan G X , Smith P, Pan W N. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2009, 129(1–3): 344–348.
    [18] Palvai V R, Yellappa R, Khamrunissa B, et al. Nitrogen fertilization effects on soil carbon and nitrogen in a dryland cropping system[J]. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63(4): 912–917.
    [19] Alvarez R. A review of nitrogen fertilizer and conservation tillage effects on soil organic carbon storage[J]. Soil Use and Management, 2010, 21(1): 38–52.
    [20] Follett R F, Castellanos J Z, Buenger E D. Carbon dynamics and sequestration in an irrigated Vertisol in Central Mexico[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 83(1): 148–158.
    [21] Zhang W, Xu M, Huang Q, et al. Effects of organic amendments on soil carbon sequestration in paddy fields of subtropical China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2012, 12(4): 457–470.
    [22] Rudrappa L, Purakayastha T J, Singh D, et al. Long-term manuring and fertilization effects on soil organic carbon pools in a Typic Haplustept of semi-arid sub-tropical India[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 88(1): 180–192.
    [23] Xia L L, Lam S K, Yan X Y ,et al. How does recycling of livestock manure in agroecosystems affect crop productivity, reactive nitrogen losses, and soil carbon balance?[J]. Environmental Science and Technology, 2017, 51(13): 7450–7457.
    [24] Jarecki M K, Lal R, James R. Crop management effects on soil carbon sequestration on selected farmers’ fields in northeastern Ohio[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 81(2): 265–276.
    [25] Parton W J. Long-term effects of crop management in Wheat-Fallow: II. CENTURY model simulations[J]. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58(2): 530–536.
    [26] Rasmussen P E, Albrecht S L, Smiley R W. Soil C and N changes under tillage and cropping systems in semi-arid Pacific Northwest agriculture[J]. Soil and Tillage Research, 1998, 47(3–4): 197–205.
    [27] Halvorson A D, Wienhold B J, Black A L. Tillage, nitrogen, and cropping system effects on soil carbon sequestration[J]. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(3): 906.
    [28] Gregorich E G, Drury C F, Baldock J A. Changes in soil carbon under long-term maize in monoculture and legume-based rotation[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2001, 81(1): 21–31.
    [29] Campbell C A, Biederbeck V O, Zentner R P, et al. Effect of crop rotations and cultural practices on soil organic matter, microbial biomass and respiration in a thin black chernozem[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1991, 71(3): 363–376.
    [30] West T O, Post W M. Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation[J]. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(6): 1930–1946.
    [31] Hermle S, Anken T, Leifeld J, et al. The effect of the tillage system on soil organic carbon content under moist, cold-temperate conditions[J]. Soil and Tillage Research, 2008, 98(1): 94–105.
    [32] Sun B, Hallett P D, Caul S, et al. Distribution of soil carbon and microbial biomass in arable soils under different tillage regimes[J]. Plant and Soil, 2011, 338(1/2): 17–25.
    [33] Sainju U M, Senwo Z N, Nyakatawa E Z, et al. Tillage, cropping systems, and nitrogen fertilizer source effects on soil carbon sequestration and fractions[J]. Journal of Environmental Quality, 2008, 37(3): 880–888.
    [34] Yao Z, Zhou Z, Zheng X, et al. Effects of organic matter incorporation on nitrous oxide emissions from rice-wheat rotation ecosystems in China[J]. Plant and Soil, 2010, 327(1/2): 315–330.
    [35] Bessam F R. Long-term changes in soil organic matter under conventional tillage and no-tillage systems in semiarid Morocco[J]. Soil Use and Management, 2003, 19(2): 139–143.
    [36] Loveland P, Webb J. Is there a critical level of organic matter in the agricultural soils of temperate regions: a review[J]. Soil and Tillage Research, 2003, 70: 1–18.
    [37] Johnston A E, Poulton P R, Coleman K. Soil organic matter: its importance in sustainable agriculture and carbon dioxide fluxes[J]. Advances in Agronomy, 2009, 101: 1–57.
    [38] Oelofse M, Markussen B, Knudsen L, et al. Do soil organic carbon levels affect potential yields and nitrogen use efficiency? An analysis of winter wheat and spring barley field trials[J]. European Journal of Agronomy, 2015, 66: 62–73.
    [39] Bauer A, Black A L. Quantification of the effect of soil organic-matter content on soil productivity[J]. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58: 185–193.
    [40] Rasmussen P E, Parton W J. Long-term effects of residue management in wheat-fallow: I. Inputs, yield, and soil organic matter[J]. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58: 523–530.
    [41] Cotching W E, Hawkins K, et al. Crop yields and soil properties on eroded slopes of red ferrosols in north-west Tasmania[J]. Australian Journal of Soil Research, 2002, 40: 625–642.
    [42] Farquharson R J, Schwenke G D, Mullen J D. Should we manage soil organic carbon in Vertosols in the northern grains region of Australia?[J]. Animal Production Science, 2003, 43: 261–270.
    [43] Yan X Y, Gong W. The role of chemical and organic fertilizers on yield, yield variability and carbon sequestration-results of a 19-year experiment[J]. Plant and Soil, 2010, 331: 471–480.
    [44] Beyer L, Sieling K, Pingpan K K. The impact of a low humus level in arable soils on microbial properties, soil organic matter quality and crop yield[J]. Biology and Fertility of Soils, 1999, 28: 156–161.
    [45] Brock C, Fliessbach A, Oberholzer H R, et al. Relation between soil organic matter and yield levels of nonlegume crops in organic and conventional farming systems[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2011, 174: 568–575.
    [46] Basamba T A, Amézquita E, Singh B R, et al. Effects of tillage systems on soil physical properties, root distribution and maize yield on a Colombian acid-savanna Oxisol[J]. Acta Agriculturae Scandinavica, 2006, 56(4): 255–262.
    [47] Quiroga A, Funaro D, Noellemeyer E, et al. Barley yield response to soil organic matter and texture in the Pampas of Argentina[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 90(1–2): 63–68.
    [48] Lal R. Enhancing crop yields in the developing countries through restoration of the soil organic carbon pool in agricultural lands[J]. Land Degradation and Development, 2010, 17(2): 197–209.
    [49] Zhang X, Sun N, Wu L, et al. Effects of enhancing soil organic carbon sequestration in the topsoil by fertilization on crop productivity and stability: Evidence from long-term experiments with wheat-maize cropping systems in China[J]. Science of the Total Environment, 2016, 562: 247–259.
    [50] Krull E S, Skjemstad J O, Baldock J A. Functions of soil organic matter and the effect on soil properties [R]. GRDC Report, Project CSO 00029, 2004.
    [51] 贺美, 王迎春, 王立刚, 等. 应用DNDC模型分析东北黑土有机碳演变规律及其与作物产量之间的协同关系[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(1): 9–19. He M, Wang Y C, Wang L G, et al. Using DNDC model to simulate black soil organic carbon dynamics as well as its coordinate relationship with crop yield[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(1): 9–19.
    [52] Ye L, Tang H, Zhu J, et al. Spatial patterns and effects of soil organic carbon on grain productivity assessment in China[J]. Soil Use and Management, 2008, 24(1): 80–91.
    [53] Zhang W. Soil organic carbon, total nitrogen and grain yields under long-term fertilizations in the upland red soil of southern China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 84: 59–69.
    [54] 张旭博. 中国农田土壤有机碳演变及其增产协同效应[D]. 北京: 中国农业科学院博士学位论文, 2016.
    Zhang X. B. The synergistic effects of evolution of soil organic carbon on increment of crop yield in arable land in China [D]. Beijing: PhD Dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2016.
    [55] 许咏梅, 刘骅, 王西和. 长期施肥下新疆灰漠土有机碳及作物产量演变[J]. 中国生态农业学报, 2016, 24(2): 154–162. Xu Y M, Liu H, Wang X H. Evolution of soil organic carbon and crop yield under long-term fertilization in grey desert soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(2): 154–162.
    [56] Kong X, Li B, Lal R, et al. Soil organic carbon stock and crop yields in Huang-Huai-Hai Plains, China [J]. Journal of Agricultural Science, 2012, 4(3): 1–4.
    [57] Fan M, Lal R, Cao J, et al. Plant-based assessment of inherent soil productivity and contributions to China’s cereal crop yield increase since 1980[J]. PLoS One, 2013, 8: e74617.
    [58] 邱建军, 王立刚, 李虎等. 农田土壤有机碳含量对作物产量影响的模拟研究[J]. 中国农业科学, 2009, 42(1): 154–161. Qiu J J, Wang L G, Li H, et al. Modeling the impacts of soil organic carbon content of croplands on crop yields in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(1): 154–161.
  • [1] 董春华高菊生曾希柏刘强徐明岗文石林 . 长期有机无机肥配施下红壤性稻田水稻产量及土壤有机碳变化特征. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2): 336-345. doi: 10.11674/zwyf.2014.0209
    [2] 林葆林继雄李家康 . 长期施肥的作物产量和土壤肥力变化. 植物营养与肥料学报, 1994, 1(1): 6-18. doi: 10.11674/zwyf.1994.0102
    [3] 马俊永李科江曹彩云郑春莲 . 有机-无机肥长期配施对潮土土壤肥力和作物产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(2): 236-241. doi: 10.11674/zwyf.2007.0209
    [4] 刘禹池曾祥忠冯文强秦鱼生王昌全涂仕华陈道全 . 稻-油轮作下长期秸秆还田与施肥对作物产量和土壤理化性状的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(6): 1450-1459. doi: 10.11674/zwyf.2014.0615
    [5] 俄胜哲杨生茂郭永杰索东让杨思存崔云玲王成宝 . 长期施肥对河西绿洲灌漠土作物产量及土壤养分自然供给能力的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(4): 786-793. doi: 10.11674/zwyf.2010.0402
    [6] 唐旭吴春艳杨生茂陈义马义兵 . 长期水稻-大麦轮作体系土壤供氮能力与作物需氮量研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 79-87. doi: 10.11674/zwyf.2011.0111
    [7] 谭德水金继运黄绍文 . 长期施钾与秸秆还田对西北区不同种植制度下作物产量及土壤钾素的影响. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(5): 886-893. doi: 10.11674/zwyf.2008.0511
    [8] 孙丽敏李春杰何萍刘孟朝胡景辉 . 长期施钾和秸秆还田对河北潮土区作物产量和土壤钾素状况的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(5): 1099-1106. doi: 10.11674/zwyf.2012.12177
    [9] 谭德水金继运黄绍文高伟 . 长期施钾与秸秆还田对华北潮土和褐土区作物产量及土壤钾素的影响 . 植物营养与肥料学报, 2008, 14(1): 106-112. doi: 10.11674/zwyf.2008.0117
    [10] 贺美王迎春王立刚朱平李长生 . 应用DNDC模型分析东北黑土有机碳演变规律及其与作物产量之间的协同关系. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(1): 9-19. doi: 10.11674/zwyf.16146
    [11] 张秀芝高洪军彭畅李强朱平高强 . 长期有机培肥黑土有机碳、全氮及玉米产量稳定性的变化特征. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(9): 1473-1481. doi: 10.11674/zwyf.18390
    [12] 杜伟赵秉强林治安袁亮李燕婷 . 有机无机复混肥优化化肥养分利用的效应与机理研究? II 有机物料与磷肥复混对玉米产量及肥料养分吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(4): 825-831. doi: 10.11674/zwyf.2012.11334
    [13] 杜伟赵秉强林治安袁亮李燕婷 . 有机无机复混肥优化化肥养分利用的效应与机理研究Ⅰ. 有机物料与尿素复混对玉米产量及肥料养分吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(3): 579-586. doi: 10.11674/zwyf.2012.11333
    [14] 杜伟赵秉强林治安袁亮李燕婷 . 有机无机复混肥优化化肥养分利用的效应与机理研究III.有机物料与钾肥复混对玉米产量及肥料养分吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 58-63. doi: 10.11674/zwyf.2015.0106
    [15] 樊军郝明德 . 黄土高原旱地轮作与施肥长期定位试验研究 Ⅱ.土壤酶活性与土壤肥力. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(2): 146-150. doi: 10.11674/zwyf.2003.0203
    [16] 王玉玲李军 . 黄土旱塬区平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水纳墒及作物增产增收效应研究. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(1): 151-163. doi: 10.11674/zwyf.14305
    [17] 蔡泽江孙楠王伯仁徐明岗黄晶张会民 . 长期施肥对红壤pH、作物产量及氮、磷、钾养分吸收的影响*. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 71-78. doi: 10.11674/zwyf.2011.0110
    [18] 逄焕成杨劲松严惠峻 . 微咸水灌溉对土壤盐分和作物产量影响研究. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(6): 599-603. doi: 10.11674/zwyf.2004.0608
    [19] 彭星星郭正张玉娇李军 . 长期有机肥与化肥配施对渭北旱塬苹果园水分生产力和土壤有机碳含量影响的定量模拟. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 33-43. doi: 10.11674/zwyf.17045
    [20] 赵士诚曹彩云李科江仇少君周卫何萍 . 长期秸秆还田对华北潮土肥力、 氮库组分及作物产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(6): 1441-1449. doi: 10.11674/zwyf.2014.0614
  • 加载中
图(1)表(1)
计量
  • 文章访问数:  1862
  • HTML全文浏览量:  275
  • PDF下载量:  385
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-08-28
  • 刊出日期:  2017-11-01

农田土壤固碳与增产协同效应研究进展

    作者简介:徐明岗(1961—),男,陕西杨凌人,博士,研究员,主要从事农田土壤肥力与培育研究。E-mail:xuminggang@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 2. 中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室,北京 100101
  • 基金项目: 国家重点基金(41620104006);国家重点研发计划项目(2016YFE0112700)资助。
  • 摘要: 农田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和实现农田持续稳定生产能力的关键所在。明确农田土壤固碳与作物增产的协同效应可为不同区域土壤培肥、维持和提升作物产量提供依据。农田土壤固碳明显受到气候、土壤属性、管理措施 (尤其是施肥和耕作)、轮作制度等因素的影响,且与农田作物产量密切相关,二者具有明显的协同效应。农田土壤有机碳与作物增产协同效应存在一定的阈值,且该阈值具有一定的区域差异。东北地区土壤有机碳阈值约为C 44~46 t/hm2,西北和华北地区约为C 22~28 t/hm2,南方地区约为C 33~37 t/hm2。经验方程和模型模拟结果表明,在不同区域,农田土壤每固定C 1.0 t/(hm2·a)有机碳,粮食作物产量可平均提升约0.7 t/hm2,但该响应值在各地区明显受到相应的环境及农田管理措施等因素的影响。深入理解农田固碳过程及其与作物生产力协同作用的机理,是指导不同区域合理培肥、提高土壤肥力、提高养分资源利用效率的关键举措。未来的研究方向和重点是明确不同区域农田土壤可实现的固碳潜力,进一步揭示集约化种植下农田土壤有机碳的固存机制,关注深层土壤有机碳固定对作物增产潜力的影响及贡献,并深入分析表征环境、人为因素等对农田土壤固碳增产协同效应的影响机制及调控原理。

    English Abstract

    • 农田土壤有机质是土壤重要的组分之一,其物理、化学性质及其分解、固定过程能够直接或间接地决定土壤质量 (如土壤结构的稳定性、土壤肥力状况及生态环境功能等),是作物高产稳产的基础[1]。此外,土壤有机碳是大气中CO2主要的源和汇[2],在温室气体的动态变化中起着重要作用[3]

      过去三十年,我国一直面临着保障粮食安全和减缓温室气体 (GHG) 排放的双重挑战。我国拥有世界22%的人口,但耕地面积只占全世界的7%,玉米和小麦产量只占世界生产量的20%和17%[4]。为保障我国粮食安全、提高农作物单产和提升土壤肥力,需要确保土壤肥力水平不下降或逐步提升[5],而土壤有机碳水平是土壤肥力的重要指标之一。目前,我国农田耕层土壤有机碳的平均浓度约为10~30 g/kg[67],远低于欧、美等发达国家[9](25~40 g/kg),这也是限制作物高产品种增产潜力发挥的重要因素。因此,提高农田土壤有机碳是维持我国农业可持续发展的关键环节之一。一方面,提高农田土壤有机碳水平,对于土壤肥力的提升具有明显的促进作用,不仅能有效改善土壤的物理结构和持水性能,也能显著增强养分的供应能力,从而促进作物的高产稳产。另一方面,提高土壤有机碳水平,增加农田土壤的有机碳固定,对于减缓大气CO2浓度升高和气候变化具有重要的意义。然而,土壤有机碳的周转是一个复杂而漫长的地球化学过程,加之我国地域辽阔,跨越多个气候带,土壤类型和种植制度多样,作物的增产和土壤固碳过程均受到诸多因素如气候、土壤性质、农田管理措施、土地利用方式、种植制度、耕作等人为活动的影响。因此,在气候变化大背景下,阐明土壤有机碳提升与作物增产之间的相互关系,明确土壤固碳对于维持或者增加作物产量的贡献,不仅对于区域合理的土壤培肥、提升土壤肥力和促进作物增产方面具有重要的实践指导意义,也可为如何应对日益恶化的气候所带来的负面作用提供科学依据。

      • 在全球尺度上,陆地土壤有机碳库的储量 (0—1.0 m深度) 大约为1500 Pg[13]。据估算,约有三分之一的土壤有机碳储存于森林生态系统,另外三分之一在草原,剩余的三分之一在湿地、农田和其他的生物群体[8]。而每年全球土壤呼吸释放的碳 (C) 大约为(98 ± 12) Pg[9],是化石燃料燃烧排放量的十倍以上 (7.2 Pg)。因此,通过不同途径将有机碳固定到土壤中,可以有效消减大气二氧化碳浓度及其温室效应,成为目前研究的热点之一。土壤固碳是通过提高大气中碳向陆地生物圈转化的净转化来实现。土壤有机碳的固定取决于系统输入与输出的平衡,所有影响系统输入和输出的因素都会影响土壤有机碳的固定。一般来说,土壤碳固定是通过将更多来自于净初级生产力中的碳,固定于土壤中或者降低土壤有机质的分解速率来实现土壤碳的固定。环境水热条件、土壤性质、农田管理措施等因素均会影响土壤有机碳的输入与输出。具体来说,农田土壤固碳主要受到如下因素的影响。

      • 气候因素是土壤有机碳周转和固定的主要驱动因子。首先,气候条件可影响作物的生长发育,进而改变来自作物根系、秸秆和残茬的碳投入量。80年代早期我国农田秸秆碳年投入为C 0.4 Mg/hm2,到21世纪初期增至C 1.4 Mg/hm2。另外,80年代、90年代和21世纪初期我国农田有机碳总投入平均速率为1.9、2.4和2.7 Mg/(hm2·a)(包括有机肥、根茬、秸秆还田等)。其次,气候条件可改变土壤水热条件,影响土壤微生物种群的数量和多样性,进而改变土壤中有机物料的分解速率和土壤有机碳的矿化速率。由于全球气候变化,尤其是气候变暖可能造成的负面影响,温度的改变对土壤有机碳分解的影响机制的研究受到广泛关注。大量研究表明,土壤有机碳分解与温度呈指数关系,且土壤有机碳分解速率会在一定温度范围内随着温度的增加而增加。Zhu等[10]通过13C标记的方法研究发现植物根系–土壤的相互作用在决定SOM分解对温度的敏感性上起到了关键作用,SOM分解的温度敏感性与当时根系的活性升高是一致的。Gabriel等[11]的研究表明,在温度一定并且保持田间持水量的20%~60%的情况下,温度升高会提高土壤有机碳的分解。此外,在低温地区,如高纬度地区,土壤有机碳分解对温度升高更为敏感。因此,该地区土壤有机碳的明显损失可以被认为是温度升高所带来的负面作用[12]

      • 土壤物理化学性质也是影响土壤有机碳转化的重要因素。土壤为生活在其中的动物、微生物提供了生存环境,而这生存环境的优劣直接影响到其种群多样性和数量,进而影响到土壤生物对进入土壤的有机物料的分解和转化过程。同时,土壤本身的理化性质也决定了土壤的最大固碳潜力,能够限制外源碳投入 (如有机肥、作物残茬等) 所引起的土壤有机碳增加的程度[13]。土壤物理性质直接影响土壤的结构、通气透水性,进而影响土壤的温度和湿度,是影响土壤有机碳分解的一个重要因素。研究表明,粘粒含量越高的土壤,土壤的固碳能力越强,土壤有机碳越不易被分解[14]。Six等[13]将土壤有机碳库分为物理保护碳库、粘粒、沙粒紧密结合的碳库 (化学保护性碳库) 以及生物化学保护碳库。研究表明,土壤大颗粒和中颗粒团聚体中的有机碳对农业措施的改变反应敏感,且较微团聚体中的有机碳更易分解,即微团聚体相对于大团聚体对土壤有机碳的保护时间更长,而大团聚体的变化直接影响土壤有机碳的稳定性[15]

        土壤的化学性质,如土壤本身的有机碳含量以及其他营养元素含量等,都会影响土壤有机碳的周转过程。在土壤有机碳含量很高的土壤中,土地利用方式决定了土壤有机碳含量的变化形式。例如我国东北黑土,其土壤起始有机碳含量远远高于其他土壤,但是农业活动以来,土壤有机碳急剧降低,这是因为作物碳投入不足加之土壤侵蚀的日益严重,使得土壤有机碳的消耗速度增加造成的。碳氮比高的土壤,土壤有机碳不易被固定。同样的,土壤磷含量水平在一定程度上也影响土壤有机碳的固定。土壤pH值能够影响土壤微生物活性,在湖南红壤上,过低的pH值一方面降低作物产量从而减少了碳投入量,另一方面也降低了土壤微生物活性从而减少有机碳分解,因此导致其土壤有机碳含量的降低幅度与其他地区差异明显[16]

      • 农业生产过程中,为获得作物高产、稳产,提高作物残茬还田量,提高土壤有效氮含量,施用氮肥和有机肥十分必要[17]。许多研究表明,提高氮肥施用量可以增加作物残留物的还田量并且提高表层土壤有机碳的含量[18]。Alvarez对来自不同气候、土壤、管理措施等较大范围的137个点位的数据利用回归模型评估了氮肥对土壤有机碳固定的影响,其研究结果显示,在作物残留物还田的情况下施用氮肥大约可提高土壤有机碳储量约为 C 12.0 t/hm2[19]。与质地良好的土壤相比,氮肥能提高质地粗糙的土壤中50%以上的土壤有机碳含量[20]

        大量研究结果表明,与化肥相比,在农田土壤中施入有机肥更有利于碳的固定[16, 2122]。Xia等[23]报道了有机肥施用后,在全世界范围内可提升33.3%的土壤有机碳含量,且提升旱地和水田土壤有机碳固定分别为C 699.6 kg/(hm2·a) 和C 401.4 kg/(hm2·a) 。基于我国农田长期施肥试验,我们的研究表明,有机肥配施化肥显著提高了旱作农田土壤有机碳含量,约以0.1~0.4 g/(kg·a) 的速率增加[16]。美国俄亥俄州的长期试验表明,相同轮作制度下,施有机肥的土壤中土壤有机碳固定速率 [C 392 kg/(hm2·a)] 显著高于施用化肥土壤 [C 355 kg/(hm2·a)][24]。美国俄勒冈州的长期试验 (始于1931年) 的结果表明,在冬小麦–休闲轮作制度下,持续施入有机肥处理每年的产量、土壤表层 (0—30 cm) 碳和氮含量均高于其他施肥处理,此外,除有机肥处理外其他处理的土壤有机碳含量均随着时间的增加而逐渐下降[25]。D’Hose等[5]指出每年作物碳的归还和动物粪便的施用减缓了因耕作损失的碳,并且添加有机肥抵消了休闲时的碳损失。Rasmussen等[26]在美国西北部的半干旱地区通过长期试验进一步评估了影响碳固持的主要因素,他们指出与氮肥相比,施有机肥能够降低土壤有机碳的损失,且对土壤有机碳含量具有更强的影响。这是因为有机肥能够提供大量的外源碳输入,对总碳输入量的提高可以达到30%~80%。

      • 轮作方式也是影响土壤有机碳固定的重要因素。随着轮作时间的延长,地下部生态系统的相互作用过程会逐渐加强,进而改变农田土壤有机碳含量。许多研究结果表明,与单一栽培模式相比,提高种植密度和实行轮作可以提高作物残留物的产量和质量,同时也能提高土壤有机碳含量[19, 2728]。Halvorson等[27]的结果显示,在北部大平原地区单季种植可以显著增加土壤有机碳固定速率C 233 kg/hm2。在加拿大30年的长期试验点位的结果显示,与小麦–休闲制度相比,提高种植密度 (小麦–豆科牧草轮作) 可使土壤有机碳由C 36.3 t/hm2提升到C 42.2 t/hm2[29]。West等[30]利用全球67组长期农田试验数据,发现通过实施作物轮作可使土壤有机碳的固定量提高(0.15 ± 0.11)Mg/(hm2·a)。我们的结果表明,在我国典型旱地土壤中,轮作制度的改变也可以显著影响土壤有机碳含量[16]

        另外,不同的耕作制度通过影响氮的有效性而影响碳的固持。保护性耕作例如免耕、垄作、少耕或者免耕播种,均能够减少碳和氮的分解进而提高土壤有机碳含量[3132]。一般情况下,大部分上季作物的残留物都将以CO2的形式损失。当使用免耕措施时,由于土壤温度变化和水分蒸发的速率降低,作物残茬与微生物和土壤水分接触几率减少,从而导致作物残余物的降解速率变缓。Halvorson等[27]研究表明,常规耕作导致土壤有机碳损失C 141 kg/(hm2·a),而免耕可使土壤有机碳每年以C 233 kg/hm2的速率提升。Sainju等[33]研究表明,在美国田纳西州东部,免耕土壤固碳速率 [C 510 kg/(hm2·yr)] 显著高于传统耕作土壤。另外,较慢的氮矿化和反硝化也对土壤碳、氮和水分具有更好的保护作用[34]。Bessam等[35]认为11年间耕作 (PT) 转化为免耕 (NT) 时固碳速率提高至0.66 kg/(hm2·a),而且通过增加土壤有机碳含量能持续提高作物产量。

      • 土壤有机碳变化对作物产量的影响是因为土壤有机碳可以通过改变土壤物理、化学性质和生物功能,进一步改变农田生产力[5],如土壤有机碳可影响土壤结构、土壤孔隙度、水分渗透、提高土壤化学缓冲能力、生物活性和养分循环等过程[3638]。有研究指出,土壤有机碳库与作物产量呈正相关,如德国、美国、澳大利亚和中国均有相似的研究结果[17, 3943]。然而,另有人提出,土壤有机碳与作物产量变化没有显著的相关性[38, 44],或者说相关的程度取决于不同的农业生产系统,如有机农业和常规农业[45]。亚洲的多个长期试验结果显示,增加土壤有机碳含量对提高作物产量有积极作用,同时能维持或提高农田土壤肥力。Basamba等[46]研究证明采用保护性耕作能提高玉米的产量。Quiroga等[47]研究表明土壤有机碳含量增加改善了土壤质量,进而显著增加大麦产量。

        土壤有机碳对作物产量的影响会被其他影响因素掩盖。而且,研究土壤有机碳库对产量的影响存在很大的不确定性。首先,不同施肥措施不但可以提升有机碳含量,也同样改变了营养的供应,如有机肥等[5, 37, 39]。此外,在使用长期试验的数据分析其中的关系时,观测数据易受到如季节变化、气候条件和管理措施 (如作物品种的变化) 的影响。因此,很难量化土壤有机碳对作物产量提升作用,或者两者间的关系仍存在较大的不确定性。就目前来看,量化土壤有机碳固存及其对作物产量的协同效应的多数研究主要通过以下两种方法:

        1) 经验方程 有研究表明,土壤有机碳储量和作物产量及产量稳定性之间存在着线性关系[48]或非线性的指数关系[49]。也有研究通过直线平台方程拟合发现,土壤有机碳对作物产量的贡献有明显的阈值 (图1),当土壤有机碳储量超出一定的临界值后就不会再对作物产量的增加起到积极作用,也就是说,作物产量受品种、氮磷钾养分、气候、病虫害等影响,使得土壤有机碳不再是影响作物产量的主要因素。例如,旱地土壤土壤有机碳含量超过2%时,加拿大的艾伯达省作物产量不再因为土壤有机碳的增加而增加[50]。然而,到目前为止基于长期观测确定土壤有机碳储量和作物生产力的关系并且量化土壤有机碳储量对作物产量影响的阈值的研究仍极其缺乏[49]

        图  1  农田土壤固碳的增产协同效应与阈值

        Figure 1.  The synergistic effects of enhanced SOC sequestration on crop yield and its threshold

        2) 模型模拟 贺美等[51]运用DNDC模型,对我国东北地区黑土土壤有机碳演变及其与作物产量之间的协同关系进行了量化研究。Ye等[52]运用区域模型及Web土地评价系统,评估了我国农田土壤有机碳含量对作物产量的作用,其结果认为土壤有机碳的降低解释了7%~64%的减产。

      • 在确保粮食安全的大背景下,量化土壤有机碳库含量对作物产量的提升作用有着重要的生产实践意义。Zhang等[53]基于我国多个典型农田长期试验对我国农田土壤固碳速率 (0—20 cm土壤深度) 进行了分析。其结果显示 (表1),对于旱作农田土壤来说,长期施用化肥后,东北地区哈尔滨和公主岭土壤有机碳基本持平,但化肥配施有机肥后,土壤有机碳均能保持不变或显著提升,而且根据其研究中秸秆归还量进行推算,相比不施肥的玉米和小麦增产率达29%~79%;西北干旱地区长期施用化肥后,乌鲁木齐和张掖点土壤碳库仍分别以0.19 t/(hm2·a) 和0.23 t/(hm2·a) 的速率下降,但化肥配施有机肥后,土壤有机碳固定速率明显提升 [0.18~0.47 t/(hm2·a)],根据其研究中秸秆归还量进行推算,相比不施肥的玉米和小麦增产率为86%~111%和170%~370%;华北地区施用化肥或化肥配施有机肥均能提高土壤有机碳,且固碳速率为0.07~0.76 t/(hm2·a),相比不施肥的玉米和小麦的增产率分别为102%~149%和192%~279%;南方地区施用化肥、化肥配施有机肥或秸秆均可显著提升土壤有机碳固碳速率 [0.13~0.77 t/(hm2·a)],相比不施肥非常明显地提高了玉米和小麦产量 (增产率分别为1021%~1679%和211%~315%)。然而,以上研究仅能从表观上认为土壤有机碳的提高伴随着产量的增加,或者说产量的增加伴随着土壤有机碳的提高,并未明确量化或阐明土壤有机碳和作物产量的关系。

        表 1  我国旱作系统不同施肥下土壤有机碳固定速率与作物产量增产率及稳定性[53]

        Table 1.  Soil organic carbon sequestration rate and increasing rate and stability of crops yield under different fertilization treatments in upland of China

        试验点
        Location
        处理
        Treatment
        SOC 起始值
        Initial SOC
        (g/kg)
        固碳速率
        Sequestration rate
        [t/(hm2·yr)]
        玉米 Maize 小麦 Wheat
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        增产率
        Increment
        (%)
        变异系数
        CV
        (%)
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        增产率
        Increment
        (%)
        变异系数
        CV
        (%)
        哈尔滨
        Harbin
        Non-fertilizer 15.43 –0.20 6237 c 11 1995 d 21
        CF –0.08 8047 ab 29 17 3477 ab 74 28
        CF+FM < 0.01 8197 a 31 18 3570 a 79 26
        FM 0.04 7301 ab 17 12 2776 b 39 22
        公主岭
        Gongzhuling
        Non-fertilizer 13.05 –0.20 3651 c 24
        CF 0.10 8986 a 146 18
        CF+FM 0.77 8969 a 146 21
        乌鲁木齐
        Urumqi
        Non-fertilizer 9.49 –0.17 4199 c 39 996 d 50
        CF –0.19 7010 ab 67 29 4157 ab 317 29
        CF+FM 0.47 7806 a 86 28 4687 ab 370 25
        CF+S –0.26 7650 ab 82 19 3736 b 275 33
        张掖
        Zhangye
        Non-fertilizer 11.54 –0.42 6023 d 58 2162 d 53
        CF –0.23 11981 ab 159 11 5443 ab 152 15
        CF+FM 0.18 12703 a 111 12 5844 a 170 15
        徐州
        Xuzhou
        Non-fertilizer 6.5 –0.10 3051 e 15 1735 e 19
        CF 0.07 6842 b 124 8 5852 b 237 11
        CF+FM 0.76 7595 a 149 9 6566 a 279 8
        郑州
        Zhengzhou
        Non-fertilizer 6.67 –0.12 3111 c 27 1950 c 23
        CF 0.09 6272 a 102 24 6219 a 219 13
        CF+FM 0.46 6543 a 110 22 5698 a 192 15
        CF+S 0.30 6941 a 123 22 6067 a 211 13
        祁阳
        Qiyang
        Non-fertilizer 8.58 –0.14 292 f 77 396 e 27
        CF 0.13 3275 c 1021 46 1232 bc 211 45
        CF+FM 0.77 5044 b 1627 23 1644 a 315 25
        CF+S 0.39 3806 c 1203 42 1412 ab 257 37
        注(Note):Non-fertilizer—不施肥 No fertilizer input;CF—施化肥 Applying chemical fertilizers; FM—单施有机肥 Applying manure alone;CF+FM—化肥+有机肥 Chemical fertilizer plus organic manure;CF+S—化肥+秸秆 Chemical fertilizer plus straw cooperation.

        因此,Zhang等[49]进一步以1980年建立的全国农田肥料网和1990年建立的土壤肥力网的长期试验为基础,选取跨越不同气候带、土壤类型和轮作制度的多个有代表性和良好管理的长期试验数据,分析显示,相比不施肥,长期施用有机肥 (20~30年) 可以显著地提高土壤表层 (0—20 cm) 32%~87%的土壤有机碳,秸秆还田相比不施肥也可以增加26%~38%的土壤有机碳。其研究显示,土壤有机碳对作物产量的提高作用有着明显的阈值。在我国北方地区,当施用有机肥或秸秆还田将土壤有机碳库 (表层0—20 cm) 提升至C 22~50 t/hm2时(东北地区为C 44~46 t/hm2,西北地区为C 26~28 t/hm2,华北地区为C 22 t/hm2),其小麦和玉米产量相比施用化肥处理只有13%~22%的提升。然而,在南方地区,当土壤有机碳库约提升至C 35 t/hm2后,该地区小麦和玉米产量相比施用化肥处理显著提升。

        另外,张旭博等[54]估算了不同区域农田土壤有机碳每提升C 1.0 g/kg时作物产量的增加幅度,具体来说,北方 (东北、西北、华北) 地区玉米增产0.99 t/hm2 (0.66~1.22 t/hm2)、小麦增产0.96 t/hm2 (0.58~0.95 t/hm2);南方 (华南、西南) 地区玉米增产约0.596 t/hm2、小麦增产约0.19 t/hm2 (0.17~0.21 t/hm2)、水稻增产约0.35 t/hm2。若各区域土壤有机碳储量上升至对产量的最大阈值,相比2009年各地区小麦 (东北、华北、西北和南方地区分别为3.8、3.7、4.7 和 3.1 t/hm2) 和玉米产量 (东北、华北、西北和南方地区分别为5.3、6.2、5.3 和 4.4 t/hm2)(数据来自中国国家统计局),东北、华北、西北和南方地区小麦产量可增加0.6、1.2、0.8和2.8 t/hm2,玉米产量增加 1.3、2.4、0.9 和 4.3 t/hm2,另外,在东北、华北、西北和南方地区,还分别需要C 331、74、59 和286 t/hm2来填补目前表层土壤有机碳储量与其产量影响阈值之间的差距[54]。许咏梅等[55]指出,新疆地区农田有机碳投入与作物产量有明显的正相关关系,碳投入C 1.0 t/(hm2·a) 会相应提升小麦和玉米产量136 kg/hm2和138 kg/hm2。有研究表明,施肥持续时间分别为5年、10年、15年以及25以上时,每提升C 1.0 t/(hm2·a) 可相应提高华北平原0.30、0.12、0.07和0.02 t/hm2的小麦玉米年产量,且该地区土壤有机碳含量的增产阈值约为C 25~41 t/hm2[56]

        此外,土壤有机碳的提升对南方地区小麦和玉米产量稳定性的提高要明显高于北方各地区[49]。除东北地区之外,在华北、西北和南方地区,随着土壤有机碳固定的增加,小麦和玉米的产量变异性呈显著的指数下降,产量稳定性随着土壤有机碳库含量的增加而增加;大致来说,农田表层 (0—20 cm) 土壤有机碳每提升C 1.0 g/kg时,产量变异系数下降3~5个百分点。由于东北地区土壤有机碳库水平较高 (C 30~45 t/hm2),提高了作物对生物及非生物胁迫的抗性[57],或是因为相比其他地区,该地区气候的季节变化幅度和病虫害程度较低。在华北、西北和南方地区,将土壤有机碳库分别增加达到C 18 t/hm2和25 t/hm2后,作物稳产性达到较高水平。与北方不同,在南方地区,平衡施肥 (化肥) 并没有减少小麦和玉米产量的变异性,但如果增施有机肥将土壤有机碳库增加至C 30 t/hm2后,无论是小麦还是玉米产量的稳定性将有很大提高。

        邱建军等[58]基于DNDC模型的模拟研究表明,东北地区农田土壤有机碳对作物产量影响较明显,当土壤有机碳含量减少50%时,玉米产量在20年中减少1.2 t/hm2,而当土壤有机碳含量增加50%时,玉米产量在20年中增加1.8 t/hm2;华北地区农田土壤有机碳含量减少50%时,产量减少0.7 t/hm2,而土壤有机碳含量增加50%时,产量增加0.6 t/hm2,而且在该地区土壤有机碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a),作物产量约提高0.4 t/hm2;西北地区农田土壤有机碳含量增加50%时,春玉米产量增加0.6 t/hm2,而且在该地区土壤有机碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a),春玉米产量约提高0.3 t/hm2;中南地区农田土壤有机碳含量减少50%时,产量减少0.8 t/hm2,而土壤有机碳含量增加50%时,产量增加0.5 t/hm2,在该地区土壤有机碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a),作物产量约提高0.2 t/hm2;华东和西南地区农田土壤有机碳含量增加50%时,水稻产量提高0.7~1.5 t/hm2,在该地区土壤有机碳含量每增加C 1.0 t/(hm2·a),水稻产量约提高0.2 t/hm2。我们课题组采用SPACSYS模型研究结果表明,在未来气候变化情景下,我国北方一年两熟种植区,农田土壤有机碳库仍对小麦和玉米产量有明显的增产协同效应,即小麦产量的土壤有机碳影响阈值约为C 24.3~24.1 t/hm2,玉米的土壤有机碳影响阈值为C 25.2~26.4 t/hm2;而在北方一年一熟地区,农田土壤有机碳库与小麦和玉米产量没有明显的相关性[53]

      • 农田土壤有机碳作为土壤肥力的核心和农业可持续发展的基础,其周转过程由于受到农业管理措施尤其是施肥的影响而显得尤为复杂。深入理解我国农田土壤有机碳固定过程及其增产协同效应,可填补农田土壤有机碳固定相关研究的不足,是指导不同区域合理施肥、提升作物生产力、提高土壤肥力、减缓养分损失的关键,可为我国农田土壤肥力提升、实现农业可持续发展打下坚实的基础。

        然而,长期以来,有关农田土壤有机碳提升和作物增产的研究基本处于分离状态,也就是说以往研究多为气候、农田养分管理、耕作措施、种植制度等因素对农田土壤有机碳固定和作物产量影响的单一研究,尤其是对农田土壤有机碳固定机制与增产的协同机制并不清楚。因此,今后以下几个方面仍有待进一步的研究。

        1) 农田土壤的碳固定是系统收支产生盈余的体现,仅仅数量上的改变不足以体现其对作物的增产协同作用。因此,有关农田土壤新增部分碳在土壤中的去向与分配是体现土壤有机碳质量演变的重要研究方向。

        2) 目前有关农田土壤有机碳固定对作物产量影响的研究极其缺乏,其中多数研究更是只关注了表层 (0—20 cm) 土壤有机碳的固定。深层土壤有机碳库的变化,同样会影响作物生长和养分运移,如根系延展、土壤物理性质、土壤氮素残留和供应水平等多个生态学过程。因此,应当同时关注深层土壤 (0—100 cm及以上) 有机碳固定对产量的影响,使该研究更加系统和全面。

        3) 虽然本文推测农田土壤有机碳固定的作物增产协同效应同样受外界因素限制,但并未明确土壤有机碳固定的增产协同效应受到哪些限制因子的影响,且未量化这些限制因子的贡献。因此,应采用结构方程模型 (VPA) 等统计或模型手段量化上述限制因子对土壤有机碳固定的增产协同效应的影响贡献率,才能更全面地回答不同区域土壤有机碳对产量影响阈值差异的原因。

    参考文献 (58)

    目录

      /

      返回文章
      返回