林赤輝 郭小雨 康文慧 張宇

摘要：大多研究表明耕地并非是碳匯式的用地類型，這一方面是由于林地、草地向耕地的轉(zhuǎn)化過程中會釋放大量的CO2，而另一方面人類的耕種、施肥、灌溉等耕地管理措施也會對耕地土壤碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響。本文基于耕地管理視角，以內(nèi)蒙古典型地區(qū)的實驗數(shù)據(jù)分析不同管理措施對耕地土壤碳循環(huán)的影響。結(jié)果表明，在控制其他變量的前提下，化肥有機肥配施以及單施有機肥對土壤碳匯有較明顯的作用，免耕和秸稈還田對土壤碳匯有一定的作用，但作用有限，單施化肥的固碳量最低。因此應(yīng)采用科學合理的施肥策略，積極推廣測土培肥技術(shù)，大力推廣免耕技術(shù)，禁止燒荒，增加秸稈還田量等措施來加大耕地管理力度。

關(guān)鍵詞：耕地；管理措施；碳排放；碳匯；巴彥淖爾市

陸地碳循環(huán)問題一直是學術(shù)界關(guān)注的焦點，耕地是受人類活動最為明顯的一種土地利用類型，也是主要的碳源地類，耕地的利用方式與碳循環(huán)間有著緊密的關(guān)聯(lián)。已有研究在分析耕地利用與碳循環(huán)間的關(guān)系時，重點關(guān)注了耕作制度、施肥措施、灌溉方式等農(nóng)田管理措施對耕地土壤碳庫的影響，測定某種管理措施下土壤碳的釋放或吸收效應(yīng)，以及對溫室氣體排放的影響，研究方法多采用微觀的實驗分析法。研究表明，合理的耕作及管理措施能夠有效降低耕地土壤碳損失，每年吸收固定的碳量約為0.4Pg～1.2Pg，抵消掉碳排放量的5%～15%[1]，可以使土壤碳庫損失量的60%～70%得以重新固定[2]。

當前，耕地管理措施主要包括施肥、秸稈還田、耕作制度等，不同措施會從不同方面對土壤有機碳產(chǎn)生影響。施肥對耕地土壤有機碳作用的影響機理在于，一方面不同的施肥類型會引起土壤團粒結(jié)構(gòu)的改變，從而影響土壤中微生物的活性，最終加快或減緩了土壤有機碳的分解；另一方面不同的施肥措施對增加作物產(chǎn)量的作用是不同的，最終影響到作物（殘茬和根）還田量。國內(nèi)外關(guān)于施肥對土壤有機碳影響的研究主要集中于施用不同類型的肥料對有機碳含量的影響，共識性的結(jié)論是施用有機肥、化肥有機肥配施能夠增加土壤碳元素的輸入量，長期施用能夠有效提高土壤有機碳含量[3-4]，特別是化肥有機肥配施還能克服單施有機肥易于氧化分解的缺點，從而既能增加碳元素的輸入量，又提高了有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性。而單施化肥對土壤有機碳含量影響的研究則因為受到土壤類型、氣候條件、耕作制度等諸多不確定因素的影響而未形成統(tǒng)一的結(jié)論。秸稈還田增加土壤有機碳的機理與施肥類似，一方面秸稈還田增加了有機質(zhì)的輸入量，從而增加了土壤總有機碳；另一方面秸稈的混入，改善了土壤的團粒結(jié)構(gòu)[5]，降低了水土流失程度，很好的保存了土壤有機碳。從秸稈還田方式來看，秸稈混施要比秸稈表施更能促進土壤有機碳的增加，而秸稈焚燒（燒荒）則會使有機質(zhì)大量損失，不利于土壤有機碳的增加。犁耕會不可避免的降低土壤有機碳含量[6]，其原因主要是3個方面[7]，一是耕作會引起土壤團粒結(jié)構(gòu)的破壞，引起土壤的氧化和礦化；二是耕作會引起土壤中可溶性有機碳的淋溶和遷移；三是耕作會加速土壤的侵蝕過程。因此，免耕是提高農(nóng)田土壤有機碳的一種有效的方法，West[8]等測算出，免耕能使土壤有機碳儲量平均每年增加（57±14）g/m2。張金波等[9]研究也發(fā)現(xiàn)，長期耕作的土壤有機碳含量較自然植被土壤低40%～50%。

綜上，已有研究已經(jīng)取得了一定的成果，很有借鑒意義。但已有研究多是分析單一耕地管理措施對土壤有機碳的影響，而對各類管理措施影響效果的對比研究較少。為對比分析不同耕地管理措施對土壤有機碳變化的影響效果，從而確立更好的耕地管理措施，本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市為研究區(qū)域，通過實驗分析單施化肥、單施有機肥、化肥有機肥配施、秸稈還田和免耕等五種耕地管理措施下耕地土壤有機碳儲量的變化狀況，以確定最為適宜的耕地管理措施。巴彥淖爾市地處河套平原，地勢平坦，土地肥沃，渠道縱橫，灌溉便利，素有“黃河百害，唯富一套”的說法，是國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)商品糧、油生產(chǎn)基地。其土壤類型、種植制度均具有代表性，能夠較好的說明問題。

1.研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

巴彥淖爾市地處北緯40°13～42°28，東經(jīng)105°12～ 109°53之間，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部。屬中溫帶大陸性季風氣候，光照充足，年平均日照時數(shù)為3110h～3300h之間，是我國光能資源最豐富的地區(qū)之一；降水量少，年平均降水量188mm，蒸發(fā)量大，年平均蒸發(fā)量卻高達2032mm～ 3179mm；風大沙多，年平均風速2.5m/s～3.4m/s，年最大風速18m/s～40m/s；無霜期短，平均無霜期為126天，溫差大，四季分明。研究區(qū)內(nèi)土壤類型較多，有灌淤土、鹽土、堿土、風沙土、潮土、新積土、沼澤土、灰土、栗鈣土、棕鈣土、灰漠土、灰棕漠土、石質(zhì)土、粗骨土等14個土類，32個亞類，94個土屬，348個土種。其中耕地土壤養(yǎng)分普查化驗結(jié)果表明，五級以下者占71%，四級以上僅占19%，有機質(zhì)大于2.0%（主要是洪淤土）僅占10%，速效磷四級占51%，五級占26%，一級不足1%。速效鉀三級占31%，四級占21%，五、六級較少，一級占18%，二級占14%?？偟膩碚f，全市土壤是缺氮、少磷，有機質(zhì)含量低，鉀較豐富。

本文中選擇的實驗田塊是長期定位實驗田，均為旱地。選擇單施化肥、單施有機肥、化肥有機肥配施、秸稈還田和免耕五種農(nóng)田管理措施下的耕地，分別測定土壤有機碳含量（SOC）、土壤容重，計算土壤有機碳儲量，并分析不同管理措施對碳平衡的影響。

1.2測定方法

土壤有機碳含量測定方法為重鉻酸鉀外加熱法[10]，有機碳的含量為有機質(zhì)乘系數(shù)0.58。具體步驟為：稱取100目的風干土樣（有機質(zhì)高于50g/kg，稱取0.1g；有機質(zhì)處于20g/kg～30g/kg之間，稱取0.3g，有機質(zhì)小于20g/kg，稱取0.5g以上），精確到0.0001。放入干燥的硬質(zhì)試管，用移液管準確加入重鉻酸鉀標液5mL（若含氯化物，加入Ag2SO40.1g），再用注射器注入5mL硫酸，小心旋轉(zhuǎn)搖勻，管口蓋上彎頸小漏斗，以冷凝蒸出水蒸氣。將試管放置在自動控溫的鋁塊管坐中，維持溫度170℃～180℃，液體沸騰發(fā)生氣泡時開始計時，煮沸5min取出。冷卻后，將試管內(nèi)容物傾倒至250mL的三角瓶，用水清洗試管內(nèi)部及小漏斗，三角瓶中液體約為60mL～70mL，保持混合液中硫酸濃度為2mol L-1～3mol L-1，加入12滴～15滴指示劑，用硫酸亞鐵標定，顏色由棕紅色-紫色-暗綠（灰藍綠色）?？瞻子?.500g粉狀二氧化硅代替土樣，硫酸亞鐵的滴定數(shù)記為V0。

2.測定結(jié)果分析

2.1不同管理措施對土壤碳儲量的影響

土壤有機碳主要分布在100cm厚的土層內(nèi)，因此本文中以100cm土層內(nèi)的土壤有機碳含量計算土壤碳儲量，如表1所示。結(jié)果表明，100cm土體內(nèi)化肥有機肥配施、單施有機肥、單施化肥、秸稈還田和免耕的有機碳儲量分別為100.6、104.2、91.3、91.8、95.7t·hm-2，對照數(shù)據(jù)（不施肥）為87.7t·hm-2。與對照數(shù)據(jù)相比，化肥有機肥配施樣地顯著增加了土壤有機碳儲量，其次為單施有機肥、免耕、秸稈還田，單施化肥效果最差。

進一步實驗發(fā)現(xiàn)，在不同厚度的土層內(nèi)由于采用不同的耕地管理措施，對土壤有機碳儲量影響也存在差異。與對照數(shù)據(jù)相比，化肥有機肥配施顯著增加了0cm～60cm土層的有機碳儲量；單施有機肥和免耕顯著增加了表層（0cm～ 20cm）的有機碳，秸稈還田和單施化肥所導致的有機碳增加在各層均不顯著，這可能是因為研究區(qū)秸稈還田比例較低以及采用表施還田的方式所致，這一結(jié)論與其他學者[11]的研究比較相近。化肥有機肥配施、單施化肥的處理與單施有機肥處理相比，對深層有機碳儲量的增加較多，可能是化肥中的速效養(yǎng)分可溶性好、移動性較大，促進了根系在土壤深層的分布和生長，從而增加了深層土壤的有機質(zhì)含量。單施化肥與對照組相比對土壤有機碳的影響并不顯著，這與大多數(shù)學者的研究結(jié)果相一致，而且可以推測長期施用化肥會降低土壤有機碳含量。此外，實驗發(fā)現(xiàn)對照數(shù)據(jù)土壤有機碳保持了較高的水平，分析認為主要是研究區(qū)土壤容重較大，所以盡管有機碳含量較低，但有機碳儲量還是偏高。

從剖面分布看，不同管理措施下土壤有機碳儲量均隨著土層深度的增加而迅速減少，0cm～20cm土層的有機碳儲量占到100cm土層碳總量的30%左右，0cm～40cm則儲存了總量的一半以上?？傮w來看，研究區(qū)化肥有機肥配施、單施有機肥措施碳匯作用較明顯，其次是免耕和秸稈還田，施化肥的固碳量最低。

2.2不同管理措施對土壤碳平衡的影響

不同管理措施不僅影響土壤有機碳的總量，而且會對土壤碳平衡產(chǎn)生影響。土壤有機碳平衡即生長季末（年末）土壤有機碳儲量與生長季初（年初）儲量比較，正平衡表示土壤有機碳收入大于支出，反之則入不敷出。碳平衡反映了土壤有機碳收支抵消狀況，其計算公式為[12]：

計算土壤碳平衡時考慮兩種不同的階段劃分，即分別考慮全年CO2排放和生長季CO2排放。表2中結(jié)果表明，如果考慮全年土壤CO2排放，在化肥有機肥配施和單施有機肥樣地中，土壤的碳平衡為正值，土壤每年盈余655.4和100.3kg C·hm-2，其他處理有機碳呈虧損狀態(tài)，單施化肥處理由于沒有有機肥投入，虧缺量最大，為2244.8kg C·hm-2，其次是對照數(shù)據(jù)，虧缺量為2070.8kg C·hm-2，免耕可大大降低土壤CO2排放，增加土壤中殘茬量，因而土壤有機碳虧損為1567.9kg C·hm-2，秸稈還田可增加殘茬量，減少土壤CO2排放，土壤有機碳虧損為1785.7kg C·hm-2?？梢?，增施有機肥對土壤碳平衡有重要作用，一是因為施用有機肥直接增加了土壤有機碳，二是因為較大的生物量產(chǎn)生了較多的殘茬及分泌物，間接地增加了土壤有機碳量。單施化肥樣地中CO2排放量小且殘茬量較大，但因為施用化肥不會直接增加土壤有機碳，所以在土壤碳平衡中碳損失最大；單施有機肥樣地的呼吸作用最強，損失了大量的碳，而且生物量較低、殘茬還田量最少，但通過施用有機肥補充了大量的碳，所以土壤碳仍有盈余；而免耕、秸稈還田則是通過增大土壤殘茬量，減少土壤呼吸作用來達到減少碳排放的作用，效果非常明顯。因此，化肥有機肥配施、單施有機肥、免耕和秸稈還田等措施均有助于土壤有機碳的積累，應(yīng)大力提倡。

3.結(jié)論與討論

本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市典型試驗區(qū)為例，分析了耕地不同管理措施下對土壤碳循環(huán)的影響。研究結(jié)果表明：（1）從耕地不同管理措施對土壤碳儲量的影響來看，與對照數(shù)據(jù)相比，化肥有機肥配施處理顯著增加了土壤有機碳儲量，其次為單施有機肥、免耕、秸稈還田，單施化肥效果最差。（2）從不同管理措施對土壤碳平衡的影響來看，如果考慮全年土壤CO2排放，在化肥有機肥配施和單施有機肥樣地中，土壤的碳平衡為正值，土壤每年盈余655.4和100.3kg C·hm-2，其他處理有機碳呈虧損狀態(tài)，單施化肥處理由于沒有有機肥投入，虧缺量最大，為2244.8kg C·hm-2，其次是對照數(shù)據(jù)，虧缺量為2070.8kg C·hm-2，免耕可大大降低土壤CO2排放，增加土壤中殘茬量，因而土壤有機碳虧損為1567.9kg C·hm-2，秸稈還田可增加殘茬量，減少土壤CO2排放，土壤有機碳虧損為1785.7kg C·hm-2。因此，應(yīng)通過采用科學合理的施肥策略，積極推廣測土培肥技術(shù)；大力推廣免耕技術(shù)；禁止燒荒，增加秸稈還田量等措施來減少耕地碳排放。

針對上述研究結(jié)論，本文提出如下耕地利用管制策略：

（1）采用科學合理的施肥策略，積極推廣測土培肥技術(shù)。有機肥和無機肥配合施用、單施有機肥均可以保持土壤有機質(zhì)平衡，增加土壤有機碳含量，但也要看到不同田塊間的差異，因此應(yīng)積極推廣測土培肥技術(shù)，即以土壤測試和肥料田間試驗為基礎(chǔ)，根據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應(yīng)，在合理施用有機肥料的基礎(chǔ)上，提出氮、磷、鉀及中、微量元素等肥料的施用數(shù)量、施肥時期和施用方法。這樣既能夠提高土壤有機碳含量，又能夠提高肥料利用率，減少用量。

（2）大力推廣免耕技術(shù)。過度耕作使得土壤中的碳素大量釋放，因此應(yīng)摒棄傳統(tǒng)的犁鏵翻耕的耕作方式而大力推廣壟作免耕技術(shù)。一方面可以保存土壤中的碳含量，有利于土壤有機碳的固定，另一方面則可以減少農(nóng)業(yè)機械的使用，有效減少化石燃料的燃燒，相應(yīng)減少溫室氣體的排放。近年來，巴彥淖爾市農(nóng)業(yè)部門在推廣免耕技術(shù)，增加秸稈還田方面做了很多工作，取得了不錯的效果。例如，農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門在總結(jié)近幾年地膜二次利用技術(shù)試驗的基礎(chǔ)上，對覆膜玉米后茬免耕直播向日葵栽培技術(shù)進行了專項研究，研究表明，覆膜玉米后茬免耕栽培技術(shù)實現(xiàn)了地膜重復(fù)利用、節(jié)本增效、減少污染、保護環(huán)境、種植效益好、現(xiàn)金回報率高的向日葵輪作倒茬，同時又減少土壤的物理損傷和表土流失，改善了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、降低勞動強度、節(jié)約柴油、化肥等農(nóng)用物資，根茬返還土壤，還可使土地肥力增加。今后應(yīng)進一步抓好培訓工作，幫助農(nóng)民掌握免耕種植的技術(shù)規(guī)程，積極爭取各方面的資金大力推廣免耕技術(shù)。

（3）禁止燒荒，增加秸稈還田量。內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)作物秸稈還田方式主要有直接還田、過腹還田、也有極少部分焚燒后還田。以巴彥淖爾市為例，作物秸稈直接還田量占秸稈資源利用總量的45.7%，過腹還田量占秸稈資源利用總量的52.1%，焚燒后還田占秸稈資源利用總量的0.8%。其中小麥直接還田方式主要為留高茬還田，玉米還田方式主要為過腹還田，其他作物如黑白瓜子、番茄、薯類、豆類秸稈等主要進行機械翻壓還田，雜糧、部分薯類、豆類、油菜主要還田方式為過腹還田。為減少碳排放，今后應(yīng)全面禁止焚燒秸稈的陋習；開展秸稈還田實驗，努力克服秸稈還田過程中可能產(chǎn)生的不良影響，增大秸稈還田比例，提高土壤中有機質(zhì)的含量，防止土壤退化。

需要討論的問題是：（1）耕地不同管理措施下對碳循環(huán)的影響研究存在很多的不確定性因素。研究區(qū)、研究樣地的選擇不同，其土壤理化性質(zhì)、種植制度、耕作措施等都存在差異，進而影響到實驗結(jié)果；取樣方法不同，土層深度不同也會影響最終的研究結(jié)果。因此，需要將各類因素綜合考慮來客觀評價耕地不同管理措施對碳循環(huán)的影響。（2）本研究由于受條件所限，并沒有對耕地土壤碳組分進行劃分，使得研究結(jié)果不夠精確。

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