夏闲期耕作模式与旱地麦田固碳效应

第1章绪论 1.1研究背景和意义 全球气候变化是当今世界所面临的严峻挑战之一，对全球农业生产与粮食安全有着深远的影响（Wheeler and von Braun，2013），努力应对气候变化己成为全球各界人士的共识。土壤是田间作物赖以生长且为全球人类提供衣食的媒介（Lal，2015）。土壤质量直接影响作物生产力，不合理的农作管理措施可导致土壤退化，进而引起土壤质量下降，维持并进一步改善土壤质量是当前国内外众多科学家所关注的焦点问题。土壤有机碳是表征土壤肥力状况的重要指标，其直接影响土壤质量和作物生产状况。另外，农田土壤也是全球陆地生态系统中*大的有机碳库载体（Lal，2004b，2018），是全球重要的固碳场所（IPCC，2013），其相对较小的变化会对大气中CO2的浓度和气候变化产生重大影响（Davidson and Janssens，2006;Chabbi et al.，2017;Sanderman et al.，2017）。目前，全球旱地面积约占陆地总面积的47.2%，其表面1m土层中有机碳储量约占总储量的15.5%，具有很大的固碳潜力（Lal，2004a）。而在旱地农业生产过程中存在水资源匮乏、土壤退化及作物产量波动大等问题，且在未来气候情景下，全球旱地面积可能会进一步扩大（Huang et al.，2016），旱地农业生产面临更加严峻的挑战。如何通过有效的农作管理措施改善旱地土壤质量、增加土壤固碳，对于缓解气候变化及旱地农业的可持续发展有重要意义。土壤耕作、秸秆还田、施肥等农作管理措施，能够改变土壤的物理、化学及生物学特性，影响土壤质量和土壤有机碳周转，进而影响作物生产力。据统计，我国旱作农田面积约占总耕地面积的51.2%（中华人民共和国国家统计局，2017），提升旱作农业区作物生产力对于保障我国粮食安全有重要的意义。土壤水分是旱作农业生产中*为关键的因子，提高自然降水利用效率、增强土壤蓄水能力是实现旱作地区作物稳产丰产的重要途径。在旱地土壤蓄水的同时，改善土壤质量、增加土壤固碳，对于旱地农业的可持续发展十分重要。此外，明确旱地土壤有机碳周转过程及其驱动机制，对于科学管理旱地土壤碳库、实现“千分之四全球土壤增碳计划”、促进旱地农业可持续发展及应对全球气候变化有重要意义（Yao et al.，2020）。 小麦是我国*主要的三大粮食作物之一，其中旱地小麦在西北地区农业生产中占有非常重要的地位。据统计，山西省小麦播种面积约占农作物播种面积的15.5%，其产量约占全省粮食产量的16.6%（山西省统计局和国家统计局山西调查总队，2021），其中旱地冬小麦播种面积约占山西省小麦总播种面积的60%（李廷亮等，2013）。然而，该区域降水主要集中于7～9月，与小麦生长需水期不相吻合。针对该问题，山西农业大学高志强团队在长期实践基础上，提出了在夏闲期进行“提前深翻或深松，提前深施有机肥，提前秸秆还田或覆盖”的“三提前”农作技术，该技术能够有效地蓄积夏闲期降水于土壤中，增加播前土壤的底墒水分，实现“夏雨麦用”，从而促进冬小麦实现增产稳产的效果（Zhao et al.，2013；高艳梅等，2015）。但是，当前的研究主要集中在分析不同夏闲期农作技术下土壤水分的时空变化及其积耗规律，而关于该技术下土壤质量、有机碳固定的效应及其相关机制并不清楚，开展相关的研究对于评价该技术下土壤质量及土壤固碳，对于科学管理旱地土壤、实现水碳储量的同步增加及提升作物生产力有重要意义。 1.2国内外研究进展 1.2.1耕作措施对土壤质量的影响 土壤质量是指在自然或管理的生态系统边界内，土壤具有动植物生产持续性，保持和提高水、气质量及支撑人类健康与生活的能力（李皎等，2014）。土壤质量不能够直接测定，但可以通过土壤质量指标来推测，以此来评价管理措施对土壤退化和保持的影响，用于监测与农业管理有关的可持续性和环境质量变化。土壤耕作、肥料施用和秸秆还田等农作管理措施能够改变土壤物理、化学及生物学特征，从而影响土壤质量及作物生产，合理的农作管理措施能够改善土壤质量，为农业的可持续生产提供保障。 土壤耕作对土壤水分、土壤容重、土壤孔隙结构及土壤团聚体等均有很大的影响，阐明其影响机制对于进一步改善土壤物理质量有重要意义。土壤容重是指示土壤物理质量*重要的指标之一，其与土壤孔隙结构、土壤水分及土壤有机质等有密切的关系（Dam et al.，2005）。关于耕作对农田土壤容重影响的研究己有很多，但是由于气候条件、土壤条件和其他管理措施等差异，不同研究的结果仍存在很大的争议。一般认为采用免耕措施由于机械压力及更少的扰动，较传统翻耕措施能够增加上层土壤容重（Alvarez and Steinbach，2009;Bhattacharyyaetal.，2006;Yang and Wander，1999;Zhang et al.，2014），但亦有学者认为免耕措施下土壤容重并未增加甚至有降低的趋势（Anken et al.，2004；He et al.，2009；Strudley et al.，2008;Ussiri and Lal，2009;Zhang et al.，2016）。“三提前”农作技术以土壤耕作、秸秆还田等为核心，但关于该技术对土壤容重影响的研究并不多。 土壤耕作的强度与深度、秸秆还田的位置，对土壤孔隙分布特征有很大影响。一般免耕措施下土壤总孔隙度低于传统翻耕措施，且随着时间的延长这种效应更明显，但也有学者认为，由于免耕措施增加了表土有机质含量，从而增加了表层土壤的孔隙度（Kay andVandenBygaart，2002）。孔隙的大小、分布及连续性等对于土壤持水/释水性能亦有很大影响，耕作措施对孔隙大小的分布己有很大影响，但由于不同学者对孔隙大小的定义不同，并未得出一致的结论。这可能与气候条件、土壤质地、取样时间、种植制度及耕作机械的功率等差异有关（Tuzzin De Moraes et al.，2016）。 土壤团聚体是表征土壤质量*重要的指标之一，同时土壤团聚体的形成及其稳定性与土壤固碳能力有着密切的联系。土壤团聚体是土壤肥力的重要物质基础，也是土壤组成的重要部分，其时空分布及稳定性是土壤*重要的物理性质之一，也是土壤抗侵蚀能力的重要表现。土壤中胶结物质（包括有机的、无机的及有机无机结合的）对于土壤团聚体的形成与稳定性起着非常重要的作用。土壤团聚体的稳定性是土壤团聚体*重要的性质之一，Elliott（1986）认为，土壤微团聚体通过胶结形成大团聚体，进而造成大团聚体中有机碳含量较高，但其稳定性较差。土壤团聚体的稳定性受到诸多因素的影响，主要包括土壤有机质、土壤微生物、耕作模式和土地利用变化等。耕作模式通过改变土壤有机碳的分布和微生物的活动，能够引起土壤团聚体的分布及组成发生变化（Hemdndez-Herndndez and Lopez-Hernandez，2002）。传统翻耕措施能够促使土壤团聚体的稳定性降低，减少土壤大团聚体的比例，增加土壤微团聚体的比例（Or and Ghezzehei，2002）。一般免耕措施能够促进表层土壤团聚体的形成，且能够提高其稳定性；而旋耕和翻耕措施则对土壤扰动较大，降低了耕作深度内土壤团聚体的团聚度和稳定性（Castro Filho et al.，2002），且旋耕和深翻措施使受团聚体保护的有机碳暴露出来。另外，与旋耕和深翻措施相比，免耕措施能够有效地增加土壤水稳性团聚体质量百分比及团聚体数量（Shukla et al.，2003）。目前，关于“三提前”农作技术下土壤团聚体分布及其稳定性知之甚少。 综上分析，土壤耕作与秸秆还田等农作措施对土壤结构特性有很大影响，但基于不同夏闲期耕作模式下旱地麦田土壤物理结构变化规律并不清楚；且土壤结构特性与水分的保持、供应及运动过程有着密切联系，但当前国内很少研究其相互的内在联系。 1.2.2耕作措施对土壤有机碳库的影响 土壤有机质是土壤肥力的重要组成成分之一，是能够体现土壤肥力高低的重要指标之一，其对土壤物理、化学、生物学特征及作物生产力有着至关重要的作用（Gregorich et al.，1994）。土壤有机碳是土壤有机质*主要的构成，其动态平衡直接影响土壤肥力、作物生产及土壤固碳。在人类活动强烈的干扰之下，农作管理措施（如土壤耕作模式、秸秆还田等）能够改变农田土壤微生态环境，改变土壤有机碳的分布与周转，进而影响土壤的固碳能力。传统翻耕措施通过物理机械作用于耕层土壤，土壤受到强烈的扰动，土壤的“固相-液相-气相”三相得到重新分配，使得更多的土壤有机碳暴露于空气中，造成土壤有机碳矿化分解加快，进而导致土壤有机碳含量逐渐减少，*终降低了土壤有机碳储量。保护性耕作（如少免耕等）措施通过实施作物秸秆覆盖，减少了土壤扰动，降低了有机碳矿化分解，在一定程度上能够增加土壤有机碳含量（D’Andr6a et al.，2004），但其增加量受到多种因素的影响，如气候条件、土壤类型、覆盖作物秸秆的种类、输入的秸秆生物量及其他农作管理措施（Ding et al.，2006;Santos et al.，2011）。耕作模式的转变改变了土壤的理化性状及生物学性状，进而影响了土壤养分循环和作物生产力。 传统翻耕措施对土壤进行着频繁的机械扰动，从而破坏土壤的结构，暴露出更多的土壤团聚体且促使其破碎，进而加速土壤有机碳的矿化分解使得土壤有机碳含量降低。而少免耕等保护性耕作减少了土壤扰动，并增加了地表秸秆的覆盖度，从而减少了土壤风蚀和水蚀，进而提高土壤有机碳含量，成为重要的土壤固碳技术之一（Zhang et al.，2014）。一般认为免耕等保护性耕作措施能够有效增加表层土壤有机碳的含量，但关于深层土壤有机碳的含量是否增加及其是否随耕作年限的延长而持续变化相关的结论仍未有统一看法（薛建福等，2013;张海林等，2009）。Kahlon等（2013）进行22年的耕作试验发现，0～20cm土壤有机碳含量在免耕措施下较深翻措施增加了约30%，且随秸秆覆盖量的增大，土壤有机碳含量逐渐增加。Ussiri和Lal（2009）基于43年的长期定位试验研究得出，免耕措施能够有效减少对土壤的扰动，降低土壤有机碳的矿化速率，进而显著增加0～15cm土壤有机碳含量；但不同耕作措施间15～30cm土壤有机碳含量差别不明显。在不同研究中，种植制度、秸秆还田量等因素的差异导致了农田碳源输入量的差异，且土样采集方法（土样层次、深度）、土壤质地及气候条件等因素的差别，亦可能导致在不同条件下秸秆腐解动态及土壤有机碳矿化等有所差异（Paustian et al.，1997;Puget and Lal，2005）。目前，关于夏闲期耕作对旱地麦田土壤有机碳含量影响的研究还未见报道，进行相关的研究对于科学管理旱地麦田土壤有机碳库有重要意义。 目前关于耕作措施对深层土壤有机碳含量影响的研究很少，且大多研究结果表明，不同耕作处理间的差异并不是很大（Baker et al.，2007），由于土壤质地类型与肥力状况、种植作物种类等试验条件的不同，研究结果间的差别较大。魏燕华等（2013）在华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟区研究得出，与传统深翻措施相比，免耕秸秆还田措施显著增加了表层（0～10cm）土壤有机碳含量，然而10～50cm土层的有机碳含量有所降低，深层（50～110cm）土壤有机碳含量差异不明显。Liu等（2014）基于褐土进行长期定位耕作试验得出，与传统翻耕措施相比，长期免耕措施（17年）显著增加了表层0～10cm土壤有机碳的含量，而在10～40cm土层则有机碳含量略有所降低，在>40cm土层则对土壤有机碳含量影响不大。Blanco-Canqui和Lal（2008）研究认为，保护性耕作措施能够增加0～10cm土壤有机碳含量，但对10～60cm较深层的土壤有机碳含量影响不大，甚至有逐渐降低的变化趋势。Vanden