東北黑土區玉米帶保護性耕作固碳效應研究進展

滕澤宇　李明嶸　馬麗娜　王柏　陳智文

摘要 東北黑土區是我國重要糧食生產區，黑土地保護和利用已經上升到國家戰略，目前在東北黑土區實施的保護性耕作技術是緩解氣候變化的一項重要策略，但不同研究中保護性耕作對黑土固碳、釋碳和作物產量的影響存在較大的差異，需要進一步闡明黑土固碳與釋碳的影響機制。圍繞東北黑土區玉米帶的特殊環境條件以及保護性耕作方式，系統地梳理了黑土固碳與釋碳理論的演變及最新試驗證據，明確黑土區環境特征、施肥及耕作方式對黑土碳固存與釋放的影響機制、途徑及效果。提出未來黑土固碳與釋碳研究的重點方向和內容，建議后續進行長期性、針對性與定量性的研究，以推動黑土固碳與釋碳研究的深入開展。

關鍵詞 黑土；保護性耕作；土壤有機碳；固碳；釋碳

中圖分類號 S154.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2023）06-0011-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.004

Research Progress on Carbon Sequestration Effect of Conservation Tillage in Maize Belt of Black Soil Region， Northeast China

TENG Ze－yu， LI Ming－rong， MA Li－na et al

（Jilin New Fertilizer Engineering Research Center of Jilin Normal University， Siping， Jilin 136000）

Abstract The northeast black soil region is an important grain producing region in China. The protection and use of black soil has become a national strategy. Conservation tillage techniques currently being used in the black soil region of the northeast are an important strategy for mitigate climate change. However， the effects of conservation tillage on black soil carbon sequestration， carbon release and crop yield were different among different studies. Therefore， the mechanism of carbon sequestration and carbon release from black soil needs further elucidation. This paper focused on the special environmental conditions and conservation tillage methods of maize belt in the black soil region of northeast China. The latest experimental evidence and the evolution of theory of carbon sequestration and release in the black soil region are systematically reviewed， and the effects of environmental characteristics， fertilization and tillage methods on carbon sequestration and release in the black soil region are discussed. We proposed the key directions and contents of future research， suggested to conduct long－term， targeted and quantitative research to promote the study of carbon sequestration and carbon release in black soil region.

Key words Black soil;Conservation tillage;Soil organic carbon;Carbon sequestration;Carbon release

土壤有機碳庫是自然界最重要的碳庫之一，其碳儲量超過大氣碳庫的2倍［1］。土壤有機碳（SOC）/有機質（SOM）在土壤中的固存與周轉具有重要的生態與環境效應。SOC的累積可改善土壤的物理、化學及生物特征，是保障作物生長的重要因素［2］，也是評價黑土土壤肥力質量的重要指標［3］。土壤碳向大氣的釋放是影響全球氣候變化的重要因子［4］，農田SOC 庫易受人類活動干預，可在較短的時間內對耕作方式和環境條件做出響應。因此，增加農田SOC的固存被視作抵消人為CO2排放和提高土壤肥力的雙贏策略與途徑［5］。

我國東北為世界四大黑土區之一，主要分布在黑龍江和吉林兩省，區內低溫潮濕的氣候和以草本為主的自然植被有利于黑土中SOC的積累，具有自然肥力高、富含有機質且適于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力與物理、化學和生物學特性。但經過多年開墾特別是傳統的耕作方式降低了SOM的輸入，強烈改變了土壤理化性質，造成SOC流失、土壤固碳能力下降，土壤肥力降低。20世紀60年代起，東北黑土區率先開展保護性耕作研究，已初步形成具有區域特色的保護性耕作體系［6］。區內的主要作物玉米不僅在糧食生產方面占據重要地位，也為許多食品及工業產業提供了重要的原料保障。黑土區優質的土壤資源與適宜的環境條件為玉米高產、豐產、穩產奠定了基礎，有“黃金玉米帶”的美譽。但高強度的玉米生產帶來一系列的環境問題［7］，對實現玉米生產的可持續發展提出了更高的要求，特別是在保證玉米產量的前提下，降低玉米生產過程中的資源消耗與環境負擔是當前急需解決的科學問題［8］。秸稈還田少免耕能增加黑土區玉米帶SOC含量。但SOC在土壤中固存的多種機制通常相互矛盾或不一致［9］，固碳速率與固碳量的計算與預測差異較大［10-12］，需要仔細總結黑土固碳與釋碳研究現狀，明確黑土固碳與釋碳的本質，進一步闡明其形成過程。

1 土壤有機碳固存過程及黑土區環境的影響

土壤有機碳庫由不同穩定性與周轉率的多種碳庫構成［11］。農業土壤的固碳效應及SOC的具體儲量，主要取決于通過土壤微生物活動所介導的有機碳輸入和輸出之間的平衡［1］。其輸入源主要為植物根系分泌物、植物殘體以及有機肥等外源添加物，固存途徑主要包括礦物吸附、團聚體保護與微生物周轉累積等［11，13-14］。保護性耕作等農業生產方式通過直接改變有機碳輸入或間接改變微生物的環境條件來影響耕作層土壤的碳循環過程［15］。研究發現，土壤細粒級比粗粒級對有機質具有更強的固持作用［11］，黑土成土母質較為黏重，土壤中黏、粉粒含量及活性較高，因此對外源有機碳產生較強的吸附作用，且易于秸稈等殘體與土壤黏粒之間的團聚［16-17］。土壤肥力狀況與土壤生物特性具有緊密聯系，可影響有機質與分解者之間的聯系，促進或限制微生物殘體的產生與積累［18］。土壤初始有機碳水平直接影響外源有機碳輸入后土壤碳飽和度，較高的初始有機質含量可使土壤微生物獲得更為充足的能源與碳源，增強微生物活性，但有機質飽和后會抑制外源有機碳的進一步固定，繼續投入大量外源碳僅促進了SOC與外源有機碳的更替周轉而非積累［19］。秸稈還田后土壤微生物對秸稈碳的利用能力受土壤已有肥力水平的顯著影響，高肥力土壤一般對土壤微生物殘體的積累有積極影響［20-21］，在對微生物殘體的固持能力方面顯著強于有機質含量較低的土壤類型［21］，有利于碳素的固持；而低肥力土壤中的土壤微生物則更傾向于利用外源（如作物殘體）碳［22］，且低肥力水平下秸稈還田更有利于土壤真菌而非細菌殘體的積累［23］，這種微生物殘體類型的區別可進一步造成有機碳庫組分及穩定性的差異。

黑土區春季多大風和夏季降水集中的氣候特征與多漫崗的地貌特征，導致SOC最為豐富的表層土壤易遭風蝕、水蝕。冬季的低溫限制土壤微生物活性進而降低SOC的周轉與礦化強度，而凍融循環過程會導致秸稈部分老化破碎，短期內可釋放出更多的碳［24］。土壤水分的反復凍融也易導致土壤空隙增加，SOM自團聚體中暴露，加快SOC的礦化［25］。

2 黑土區耕作方式與土壤固碳效應

黑土區玉米帶內常見的耕作方法包括翻耕、免耕、旋耕、條耕和深松等，對土層擾動大、留茬覆蓋面積小的傳統耕作方式被認為是導致黑土開墾后SOC快速流失的重要因素。對土壤擾動較大的耕作方式，即便與秸稈還田相配合，在有利于增加深層土壤的外源碳輸入的同時，亦會加快SOC的礦化過程而阻礙SOC含量的恢復［26］，所導致的高強度的碳周轉對環境變化可能更為敏感。與之相比，長期的少免耕可顯著減少對黑土結構的破壞，降低土壤容重，進而通過土壤環境狀況的改變而影響耕層的固碳能力［27］。

耕作方式除直接影響土壤物理狀況外，也會改變土壤微生物的生存環境，影響固碳過程。少免耕等保護性耕作提高了土壤團聚體粒級分布及其穩定性，改變了團聚體各粒級的碳、氮含量。少免耕對于作物生長的增益與土壤環境的改善，加快了土壤呼吸碳排放［28］。與少耕相比，免耕可最大程度上降低機械化耕作所帶來的碳排放及對土層的機械壓實，但在改善土壤結構及蓄水保墑方面不如深松等方式，并易導致土層間土壤環境狀況及微生物狀況的差異增大，出現表層SOC增加的同時亞表層SOC含量降低的分層現象［29］。對于土壤微生物來說，真菌代謝過程中所儲存的碳素更多，而少免耕能夠減少對真菌菌絲的破壞，這有利于真菌對碳的截獲與大團聚體的形成與穩定［30］。

在無秸稈覆蓋的條件下，短期免耕對SOC的含量沒有顯著影響［31］，需要長時間持續免耕（10年以上）才體現出有對于土壤固碳的增益［32］，秸稈覆蓋還田免耕比傳統耕作更有利于SOC的增加［33］。外源有機碳的輸入與免耕可簡化土壤孔隙結構，改善土壤中的空氣和水的流動，通過減輕干旱對作物的脅迫而影響有機碳的輸入過程。夏季降水集中的黑土區由于土壤水分過多通氣性較差而可能出現周期性限氧，但礦物保護碳的釋放可抵消缺氧對于微生物代謝的限制［34］。因此，長期少免耕對于土壤通氣性的提高并不一定能進一步促進SOC的礦化，土壤保墑能力的提高導致土壤溫度降低，在一定時間段內（特別是春季）抑制土壤微生物及其胞外酶的活性。

合理的深松可打破犁底層，降低深層土壤容重，增加土壤深層水分，促進玉米等作物根系生長，增加作物深層根系生物量及殘體的輸入量進而增加土壤的固碳能力，這對于黑土等質地較為黏重的土壤更為明顯［35］。但通過增加深層土壤通透性而加速SOC礦化（如增加土壤通氣性及改變土壤微生物群落結構與活性）的風險，因此深松的具體固碳效應在不同研究中差異較大［36-37］，這種不同的影響可能源于不同土壤初始有機碳水平、有機碳輸入水平及耕作方式持續時間的差異［38］。

3 黑土區施肥與土壤固碳效應

施肥提高了農作物生物產量，增加SOM輸入并促進其降解，改變了土壤內的化學及生物過程，強烈地影響土壤中部分有機碳組分固持與累積［39］。合理施肥是保護性耕作的內涵之一［7］，單施化肥、減施化肥與有機肥對化肥的部分替代都會對黑土區玉米帶的土壤固碳過程產生影響。施用化肥（特別是無機氮）對于土壤碳礦化的影響可表現為激發也可表現為抑制［18，40］，或是表現為從激發到抑制的轉變［41］。高氮輸入可增加根系分泌物，其中所包含的碳水化合物、氨基酸和有機酸不僅可直接增加進入土壤的有機質，還可增加土壤微生物活性，促進作物殘體碳向SOC的轉化［42］。根的向肥性導致施肥的具體方式影響作物地下生物量與空間分布，改變不同土層間SOC輸入量及累積量的分布。無機氮等化肥的施用可改善秸稈還田后土壤中的C/N比值，這可避免微生物會優先利用SOM來滿足自身對氮的需求。基于共代謝理論，隨著氮投入的增加，土壤微生物中纖維素降解等能夠促進秸稈分解的基因表達迅速增加，有利于團聚體形成與SOC的累積。施用化肥所導致的土壤養分不均衡也可抑制黑土區土壤微生物量及酶活性并影響碳礦化過程［43］。但必須考慮的是化肥投入碳排放量約占系統農業總投入碳排放量的73.5%～77.4%，是農業生產中主要的間接碳排放源［42］。黑土的高初始肥力也可導致過度強化土壤微生物的活性而引發黑土SOC的加速流失［44］。

有機肥具有養分全面、肥效長、能改良土壤、維持地力與提高農產品品質等優點［45］，黑土區有機肥與化肥混合施用提高了土壤中可溶性碳與微生物量碳含量，利于土壤有機質的形成。有機肥施用直接增加了土壤外源有機質的投入，而土壤微生物對于復雜有機質分解過程中所獲得的能量投入回報更少，導致進入土壤的有機質分解速度更慢。但相對于秸稈等植物源有機質，施用糞肥等動物源有機肥可直接向土壤中加入大量微生物，且施入后更偏向于增加穩定性較低的顆粒有機碳［46］。由于有機肥種類繁多，所含成分復雜，在土壤中變化的歷程較長，對土壤肥力和土壤環境質量的影響帶有很大的不確定性［47］，因此有機肥的具體固碳效果難以估算。

除直接的固碳效應外，與保護性耕作相結合的合理施肥對于土壤條件的改善可有效增加單位面積的作物產量。在產量需求一定的前提下，更高的單產可以保證現有耕地面積滿足需求，減少土地利用變化對于天然土壤碳庫的擾動，這對于后備耕地資源較少的黑土區具有重要意義。

4 總結與展望

出于對保護黑土地肥力與提升農業土壤碳匯能力的關注，近年來針對黑土固碳效應的相關研究不斷涌現并取得了較多的成果，但土壤固碳過程及其機理較為復雜，相關結果中尚有較多不清楚或不一致的內容。針對上述問題，需要更進一步加強黑土固碳過程與釋碳機理研究，針對黑土固碳與釋碳本質等重大科學問題，急需攻堅克難，應加強以下幾個方面的研究：

（1）堅持并完善保護性耕作下黑土區土壤固碳效應的長期研究。已有研究表明，即便是相同的環境或人為因子，其所引導的具體固碳過程仍可在不同時間尺度下存在較大差別。若要準確揭示其長期固碳效應對土壤肥力與氣候變化的影響，需要繼續進行長期化、標準化的定位試驗研究。

（2）對于黑土區玉米帶近年來與保護性耕作相結合所逐步應用的新型農業生產技術體系，如施用緩控釋肥、水肥一體化、耕層障礙消減等，其對于黑土區的土壤固碳效應仍需進行深入研究。

（3）繼續探索具體環境因子對于土壤固碳效應之間的影響及其機理或介導方式，揭示不同固碳機制的適用范圍與條件，量化自然或人為所導致的土壤環境變化對土壤固碳能力的影響程度及其變化趨勢。

（4）建立完善符合黑土區環境特征并能夠考慮更多固碳機制的土壤固碳效應模型，更為準確地預測較大時間與空間尺度下黑土區土壤固碳能力與土壤有機質恢復程度。

（5）量化保護性耕作后土壤固碳能力變化本身對農業生產的影響，研究并建立保護性耕作中黑土固碳機理或過程與農業生產的具體過程及效能之間的具體聯系，并服務于黑土區的農業發展。

滕澤宇等 東北黑土區玉米帶保護性耕作固碳效應研究進展

參考文獻

［1］ LAL R.World cropland soils as a source or sink for atmospheric carbon［J］.Advances in agronomy，2001，71：145-191.

［2］ 沈善敏.中國土壤肥力［M］.北京：中國農業出版社，1998.

［3］ 汪景寬，張旭東，王鐵宇，等.黑土土壤質量演變初探II：不同地區黑土中有機質、氮、硫和磷現狀及變化規律［J］.沈陽農業大學學報，2002，33（4）：270-273.

［4］ SCHLESINGER W H，ANDREWS J A.Soil respiration and the global carbon cycle［J］.Biogeochemistry，2000，48（1）：7-20.

［5］ TAO F L，PALOSUO T，VALKAMA E，et al.Cropland soils in China have a large potential for carbon sequestration based on literature survey［J］.Soil and tillage research，2019，186：70-78.

［6］ 高旺盛.中國保護性耕作制［M］.北京：中國農業大學出版社，2011.

［7］ LEE E K，ZHANG X S，ADLER P R，et al.Spatially and temporally explicit life cycle global warming，eutrophication，and acidification impacts from corn production in the U.S.Midwest［J］.Journal of cleaner production，2019，242：1-11.

［8］ CHEN X P，CUI Z L，FAN M S，et al.Producing more grain with lower environmental costs［J］.Nature，2014，514：486-489.

［9］ LTZOW M V，KGEL－KNABNER I，EKSCHMITT K，et al.Stabilization of organic matter in temperate soils：Mechanisms and their relevance under different soil conditions－a review［J］.European journal of soil science，2006，57（4）：426-445.

［10］ 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）：1302-1307.

［11］ PAN G X，XU X W，SMITH P，et al.An increase in topsoil SOC stock of China’s croplands between 1985 and 2006 revealed by soil monitoring［J］.Agriculture，ecosystems and environment，2010，136（1/2）：133-138.

［12］ ZHAO Y C，WANG M Y，HU S J，et al.Economics－ and policy－driven organic carbon input enhancement dominates soil organic carbon accumulation in Chinese croplands［J］.Proceedings of the national academy of sciences，2018，115（16）：4045-4050.

［13］ STOCKMANN U，ADAMS M A，CRAWFORD J W，et al.The knowns，known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon［J］.Agriculture，ecosystems and environmen4，2013，164：80-99.

［14］ NAYLOR D，SADLER N，BHATTACHARJEE A，et al.Soil microbiomes under climate change and implications for carbon cycling［J］.Annual review of environment and resources，2020，45：29-59.

［15］ VAN WESEMAEL B，PAUSTIAN K，MEERSMANS J，et al.Agricultural management explains historic changes in regional soil carbon stocks［J］.Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，2010，107（33）：14926-14930.

［16］ 陳鮮妮，吳姍薇，寇太記，等.秸稈源性碳在黑土和褐土中的轉運及其對氮肥的響應［J/OL］.土壤學報，2021-10-25［2022-02-27］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.P.20211022.1726.002.html.

［17］ JASTROW J D.Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral－associated organic matter［J］.Soil biology and biochemistry，1996，28（4/5）：665-676.

［18］ ZHANG X F，XIN X L，YANG W L，et al.Short－term decomposition，turnover and retention of residue－derived carbon are influenced by the fertility level in a sandy loam soil［J］.Geoderma，2019，349：68-78.

［19］ YAN X，ZHOU H，ZHU Q H，et al.Carbon sequestration efficiency in paddy soil and upland soil under long－term fertilization in southern China［J］.Soil and tillage research，2013，130：42-51.

［20］ DING X L，HAN X Z，ZHANG X D，et al.Continuous manuring combined with chemical fertilizer affects soil microbial residues in a Mollisol［J］.Biology and fertility of soils，2013，49（4）：387-393.

［21］ 李麗東，胡國慶，趙鈺，等.玉米秸稈摻入對土壤氨基糖分布動態的影響［J］.土壤通報，2014，45（6）：1402-1409.

［22］ XU Y D，SUN L J，LAL R，et al.Microbial assimilation dynamics differs but total mineralization from added root and shoot residues is similar in agricultural Alfisols［J］.Soil biology and biochemistry，2020，148：1-10.

［23］ XU Y D，GAO X D，LIU Y L，et al.Differential accumulation patterns of microbial necromass induced by maize root vs.shoot residue addition in agricultural Alfisols［J/OL］.Soil biology and biochemistry，2022，164［2021-11-09］.https：//doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108474.

［24］ 陳昱，梁媛，鄭章琪，等.老化作用對水稻秸稈生物炭吸附Cd（Ⅱ）能力的影響［J］.環境化學，2016，35（11）：2337-2343.

［25］ 高敏，李艷霞，張雪蓮，等.凍融過程對土壤物理化學及生物學性質的影響研究及展望［J］.農業環境科學學報，2016，35（12）：2269-2274.

［26］ GUZMAN J，AL－KAISI M，PARKIN T.Greenhouse gas emissions dynamics as influenced by corn residue removal in continuous corn system［J］.Soil science society of American journal，2015，79（2）：612-625.

［27］ MEURER K H E，HADDAWAY N R，BOLINDER M A，et al.Tillage intensity affects total SOC stocks in boreo－temperate regions only in the topsoil－A systematic review using an ESM approach［J］.Earth－science reviews，2018，177：613-622.

［28］ 孫寶龍，陶蕊，王永軍，等.長期少免耕對中國東北玉米農田土壤呼吸及碳氮變化的影響［J］.玉米科學，2020，28（6）：107-115.

［29］ DOLAN M S，CLAPP C E，ALLMARAS R R，et al.Soil organic carbon and nitrogen in a Minnesota soil as related to tillage，residue and nitrogen management［J］.Soil and tillage research，2006，89（2）：221-231.

［30］ 丁雪麗，張旭東，楊學明，等.免耕秸稈還田和傳統耕作方式下東北黑土氨基糖態碳的積累特征［J］.土壤學報，2012，49（3）：535-543.

［31］ DU Z L，ANGERS D A，REN T S，et al.The effect of no－till on organic C storage in Chinese soils should not be overemphasized：A meta－analysis［J］.Agriculture ecosystems & environment，2017，236：1-11.

［32］ 張恒恒，嚴昌榮，張燕卿，等.北方旱區免耕對農田生態系統固碳與碳平衡的影響［J］.農業工程學報，2015，31（4）：240-247.

［33］ TIAN K，ZHAO Y C，XU X H，et al.Effects of long－term fertilization and residue management on soil organic carbon changes in paddy soils of China：A meta－analysis［J］.Agriculture，ecosystems and environment，2015，204：40-50.

［34］ HUANG W J，WANG K F，YE C L，et al.High carbon losses from oxygen－limited soils challenge biogeochemical theory and model assumptions［J］.Global change biology，2021，27（23）：6166-6180.

［35］ 張麗，張中東，郭正宇，等.深松耕作和秸稈還田對農田土壤物理特性的影響［J］.水土保持通報，2015，35（1）：102-106，117.

［36］ VALBOA G，LAGOMARSINO A，BRANDI G，et al.Long－term variations in soil organic matter under different tillage intensities［J］.Soil and tillage research，2015，154：126-135.

［37］ 田慎重，王瑜，寧堂原，等.轉變耕作方式對長期旋免耕農田土壤有機碳庫的影響［J］.農業工程學報，2016，32（17）：98-105.

［38］ HAN P F，ZHANG W，WANG G C，et al.Changes in soil organic carbon in croplands subjected to fertilizer management：A global meta－analysis［J］.Scientific reports，2016，6：1-13.

［39］ NI X Y，LIAO S，TAN S Y，et al.A quantitative assessment of amino sugars in soil profiles［J］.Soil biology and biochemistry，2020，143：1-10.

［40］ TANG J C，ZHANG R Y，LI H C，et al.Effect of the applied fertilization method under full straw return on the growth of mechanically transplanted rice［J］.Plants，2020，9（3）：1-12.

［41］ 朱培立，王志明，黃東邁，等.無機氮對土壤中有機碳礦化影響的探討［J］.土壤學報，2001，38（4）：457-463.

［42］ GONG W，YAN X Y，WANG J Y.The effect of chemical fertilizer application on carbon input and export in soil－A pot experiment with wheat using natural 13C abundance method［J］.Geoderma，2012，189/190：170-175.

［43］ CHEN X，HAN X Z，LU X C，et al.Long－term continuous cropping affects ecoenzymatic stoichiometry of microbial nutrient acquisition：A case study from a Chinese Mollisol［J］.Journal of the science of food and agriculture，2021，101（15）：6338-6346.

［44］ MUSTAFA A，HU X，ABRAR M M，et al.Long－term fertilization enhanced carbon mineralization and maize biomass through physical protection of organic carbon in fractions under continuous maize cropping［J］.Applied soil ecology，2021，165：1-11.

［45］ ZHANG H M，XU M G，ZHANG F.Long－term effects of manure application on grain yield under different cropping systems and ecological conditions in China［J］.Journal of agricultural science，2009，147（1）：31-42.

［46］ QU X J，WANG X H，WU J G，et al.Both carbon sequestration and yield are related to particulate organic carbon stability affected by organic amendment origins in mollisol［J］.Journal of soils and sediments，2021，21（9）：3044-3056.

［47］ 寧川川，王建武，蔡昆爭.有機肥對土壤肥力和土壤環境質量的影響研究進展［J］.生態環境學報，2016，25（1）：175-181.

基金項目 中國科學院戰略性先導科技專項（XDA28080105）。

作者簡介 滕澤宇（1990—），男，河北秦皇島人，講師，博士，從事黑土地保護研究。*通信作者，教授，從事土壤生態與新型肥料研究。

收稿日期 2022-03-21