旱作農田土壤固碳研究進展

摘要：旱作農業是世界各地廣泛存在的一種農業生產方式，其土壤碳匯潛力備受關注。通過探討旱作農田土壤固碳影響因素、固碳過程、固碳效果等，認為施用有機肥、免耕、深耕、秸稈還田等保護性耕作措施能使表層旱地土壤固碳量增多，生物降解薄膜覆蓋可促進土壤有機碳固定，合理安排農作物有助于提高土壤固碳能力。

關鍵詞：旱作；保護性耕作；土壤有機碳；碳固定；耕作措施

中圖分類號：S153.6" " "文獻標識碼：A" " 文章編號：1674-1161（2023）04-0015-03

全球氣候變化日漸加劇，致使減緩氣候變化影響的措施受到越來越多的關注。固碳被認為是一種可持續減緩氣候變化的重要碳匯方式，而土壤在固碳中扮演著重要角色。人們將耕地劃分為水田和旱地，其中，凡是不經常保持水層的農田包括灌溉農田和旱作農田統稱為旱地。旱作農田土壤作為我國農業土地的主要類型之一，含有最大的無機碳庫，具有巨大的固碳潛力。推行旱地土壤固碳，對保持土壤質量、提高農業生產力、維持和諧生態系統至關重要。

1 旱作農田土壤固碳影響因素

影響旱作農田土壤固碳的主要因素較為復雜，包括氣溫、降水、灌溉、種植制度、農業耕作措施和施肥等多個方面^[1]。土壤固碳的影響主要體現在對土壤碳輸入和輸出的影響^[2]。氣溫和降水影響農作物類型、分布和生長狀況，從而影響農作物殘體向土壤的碳輸入。氣溫和降水還會影響到土壤微生物的活性^[3]，從而影響土壤有機碳的分解釋放。灌溉能為作物補充水分，提高農田生態系統生產力，增加土壤有機質輸入。種植制度影響作物殘體向土壤輸入有機碳。農業耕作措施會增加土壤擾動次數，改變土壤物理化學性質，增加土壤碳輸出。施肥會補充土壤碳素和其他養分，減少土壤養分并影響作物正常生長，降低作物固碳能力，加劇土壤有機質氧化和礦質化，導致二氧化碳排放增加，這也是溫室效應的罪魁禍首之一。

2 旱作農田土壤固碳過程

固碳有兩種方式，一種是物理固定，另一種是生物固定。物理固碳方式是通過一定的技術手段，將CO₂在地下（如石油、天然氣、煤層、深海）進行長期封存，以防CO₂進入大氣中，進而減緩溫室效應的發生；生物固碳方式是植物、微生物經光合作用、化能合成等過程將CO₂轉變成有機質，并將其固定于植物、土壤等環境中，常見的生物固碳途徑包括綠色植物和光合自養微生物的光合作用，以及硝化細菌利用氧化氨合成有機物等化能合成作用。在自然界中，每年可通過這些途徑固定超過7×10¹⁶ g的無機碳。因此，固碳是一種重要的環保手段，需要廣泛應用于人類活動中^[4]。物質對CO₂的吸附作用，即自然生物固定CO₂的能量在很大程度上來自于光合作用^[5]。生物固碳是作物通過光合作用自然的從大氣中吸收碳，再將陽光、水和二氧化碳轉化為糖類，用于生長和積累能量。其中，部分含碳的糖通過根部釋放，喂養土壤微生物，從而增加其數量。在作物的整個生命周期中，這些微生物有助于形成土壤有機碳。當土壤不受干擾時，大部分碳會被儲存起來。對土壤有益的微生物能保障土壤健康、擴大根系生長、利于營養吸收、促進作物增產、提高光合效率和農業生產率。一些微生物技術還可與其他土壤耕作措施一并使用，以儲存更多土壤碳。土壤固碳能力的大小既取決于土壤固碳容量，又取決于土壤有機碳的穩定性^[6]。土壤有機碳是微生物能量轉化的關鍵，微生物在土壤生態環境中發揮著決定性作用，其多樣性對維護土壤生態環境穩定性具有關鍵作用。

3 旱作農田耕作技術固碳效果

保護性耕作是旱作農業中的重要技術措施，越來越多的學者開始關注免耕、深松、秸稈還田等保護性耕作對土壤固碳的影響。李景等^[7]研究表明，不管是免耕秸稈覆蓋還是深松秸稈覆蓋，都能提高團聚體的有機碳含量，而且隨著年限的增加，有機碳含量也會有所提高。楊柯^[8]利用地球化學背景值法估算出秸稈還田率越高則土壤固碳效率越高的結果。劉微^[9]基于華中旱田輪作農田長期定位觀測，利用田間實際收獲率和土壤有機質等資料，對 Century模型進行校驗、驗證和評價，結果表明秸稈還田能明顯改善土壤有機質，增強土壤固碳能力，秸稈完全還田后的土壤中有機碳可增加1 932.77 g/m²。趙鑫^[10]通過Meta分析得出保護性耕作能增強土壤固碳能力，但多局限于表層0～10 cm。王成己等^[11]研究認為采用秸稈還田相結合的綜合保護性耕作措施可延長稻田有效固碳時間27 a和旱地23 a，并可維持較高的固碳速度，延長有效固碳時間。 徐風嶷^[12]認為深松-免耕-翻耕-深松組合輪耕方式在干旱少耕條件下有利于土壤有機質穩定。祿興麗^[13]研究認為免耕加地膜對冬小麥—夏玉米農田生態環境下土壤固碳量有提高作用。武均等^[14]通過對隴中地區旱地農田不同耕作方式的研究，發現免耕與秸稈還田比常規翻耕提高了土壤有機碳含量，免耕與秸稈還田的效果最佳。徐英德^[15]認為通過合理耕作方式建立起團聚體與有機碳之間的良性循環關系，有利于提高土壤的固碳能力。旱地農業中任何去除作物的做法都意味著土壤有機碳的損失，大田作物中采用免耕措施，樹木作物中種植覆蓋作物，在旱地地區具有很大的潛力，這能保持被作物殘茬覆蓋的土壤表面。與傳統耕作相比，免耕可減少80%的土壤侵蝕，長期保持免耕可提高土壤大孔隙度，抵消使用免耕時土壤中儲存的大量水分所產生的一氧化二氮排放，這也表明旱地土壤中封存大量碳是可以實現的目標，并將產生社會和環境效益。

世界上許多旱作地區的特點是土壤退化、貧困率高和農業投資能力低，而解決這一問題的最有效措施是最大限度地增加有機質投入。王樹會等^[16]基于長期定位試驗點的觀測數據，對機制過程模型SPACSYS進行改進，并與區域數據庫和ArcGIS結合，對2010—2050年間單一肥料、50%肥料配施50%肥料、30%肥料配施70%肥料這3 個不同施肥情景進行了模擬，得到了華北平原旱地土壤中的土壤平均固碳速率、土壤N2O年平均排放量，并分析了華北平原旱地土壤平均凈氣候變暖潛力，發現與傳統單一施肥相比，化肥與有機肥兼用更有利于土壤固碳。梁豐^[17]通過分析認為長期施用化肥或化肥與有機肥配施均可提高土壤有機碳儲量。柳開樓等^[18]認為長期施用有機肥可明顯提高土壤有機碳含量和儲量。

在半干旱熱帶單作地區，化肥與有機肥的聯合使用對提高有機碳封存至關重要。生物降解薄膜覆蓋及種植覆蓋作物普遍被認為有利于土壤有機碳的固定。Huang Fangyuan等^[19]認為可生物降解薄膜覆蓋能增加土壤碳氮比，促進土壤有機碳固定，利用生物炭將碳固定在土壤中是當前比較有前景的固碳減排技術。LI Shuailin等^[20]發現在0～10 cm土層添加生物炭可能會加速碳的流失，而在10～20 cm地下土壤中添加生物炭可有效避免對表層土壤環境的嚴重干擾，利于土壤長期固碳。

適當調整種植方式也可提高土壤的固碳能力。Farage等^[21]對非洲、拉丁美洲等3 個熱帶旱地農業系統進行分析后發現，通過適當的管理，土壤可變成碳匯，而最有效的措施是最大限度地增加有機質投入。也有學者研究發現，多種農業措施結合更利于土壤固碳。高洪軍等^[22]研究認為玉米秸稈還田能顯著促進黑鈣土土壤及團聚體有機碳的累積，且土壤有機碳含量隨秸稈還田量和試驗年限的延長而增加，有機碳主要集中固持在大團聚體中，表明秸稈還田是黑土區土壤肥力提升的重要培育措施，大團聚體有機碳可作為評價土壤有機碳變化對不同土壤培肥措施快速響應的重要指標之一。南美洲在全球范圍內的保護性農業應用率占領先地位，尤其是通過輪作與種植覆蓋作物結合的方式，普遍促進了土壤有機碳的固定^[23]。

4 結語

土壤有機碳的固定是緩解全球氣候變化和維持農田生態系統生產力的重要驅動力，農田減排固碳對減少溫室氣體排放意義重大。目前，我國旱作農田土壤碳庫研究還存在諸多不足，仍需系統、全面、客觀地評估不同減排措施對土壤碳庫、糧食安全與生態環境的影響，以探尋更為有效的土壤碳庫管理對策，從而為我國農田土壤碳庫可持續發展和應對氣候變化提供科學依據。

參考文獻

[1] LIMING ZHANG，QIAOFENG ZHENG，YALING LIU， et al.Combined effects of temperature and precipitation on soil organic carbon changes in the uplands of eastern China[J].Geoderma，2019（337）：1 105-1 115.

[2] 曲云柯.鹽堿農田土壤酶活性和微生物代謝多樣性對碳組分變化的綜合作用研究[D].長春：吉林大學，2022.

[3] 蔡岸冬.我國典型農田土壤固碳效率特征及影響因素[D].北京：中國農業科學院，2016.

[4] 肖璐，李寅.生物固碳：從自然生物到人工合成[J].合成生物學，2022，3（5）：833-846.

[5] 江會鋒，劉玉萬，楊巧玉.生物固碳途徑研究進展[J].微生物學雜志，2020，40（2）：1-9.

[6] 王舒怡，崔俊濤.不同地力耕作土壤有機碳對外源輸入碳的響應及土壤固碳的微生物學機制研究[J].吉林農業大學學報，2023（3）：1-10.

[7] 李景，吳會軍，武雪萍，等.長期保護性耕作提高土壤大團聚體含量及團聚體有機碳的作用[J].植物營養與肥料學報，2015，21（2）：378-386.

[8] 楊柯.我國典型農耕區土壤固碳潛力研究[D].北京：中國地質大學， 2016.

[9] 劉微.華中地區旱地農田管理措施對土壤有機碳及固碳潛力的影響[D].武漢：華中農業大學，2017.

[10] 趙鑫. 基于Meta-analysis對我國保護性耕作農田土壤固碳減排效應及其潛力的研究[D].北京：中國農業大學，2017.

[11] 王成己，潘根興，田有國.保護性耕作下農田表土有機碳含量變化特征分析—基于中國農業生態系統長期試驗資料[J].農業環境科 學學報，2009，28（12）：2 464-2 475.

[12] 徐風嶷.輪耕方式和施肥措施對關中旱地農業土壤有機碳固持及作物產量的影響[D].咸陽：西北農林科技大學，2022.

[13] 祿興麗. 保護性耕作措施下西北旱作麥玉兩熟體系碳平衡及經濟效益分析[D].咸陽：西北農林科技大學，2017.

[14] 武均， 蔡立群， 齊鵬， 等. 不同耕作措施下旱作農田土壤團聚體中有機碳和全氮分布特征[J].中國生態農業學報， 2015，23（3）： 276-284.

[15] 徐英德.基于保護性農業的土壤固碳過程研究進展[J].中國生態農業學報（中英文），2022，30（4）：658-670.

[16] 王樹會，陶雯，梁碩，等.長期施用有機肥情景下華北平原旱地土壤固碳及N2O排放的空間格局[J].中國農業科學，2022，55（6）：1 159-1 171.

[17] 梁豐. 我國典型農田土壤固碳效率的時空差異特征及驅動因素[D].北京：中國農業科學院，2018.

[18] 柳開樓，葉會財，李大明，等.長期施肥下紅壤旱地的固碳效率[J].土壤，2017，49（6）：1 166-1 171.

[19] HUANG FANGYUAN，WANG BINGFAN，LI ZHAOYANG， et al.Continuous years of biodegradable film mulching enhances the soil environment and maize yield sustainability in the dryland of northwest China[J].Field Crops Research，2022（288）：108 698.

[20] LI SHUAILIN，MA QIANG，ZHOU CHANGRUI，et al.Applying biochar under topsoil facilitates soil carbon sequestration： A case study in a dryland agricultural system on the Loess Plateau[J]. Geoderma，2021（403）：115 186.

[21] P.K. FARAGE，J.ARD?，L.OLSSON，et al.The potential for soil carbon sequestration in three tropical dryland farming systems of Africa and Latin America： A modelling approach[J].Soilamp;Tillage Research，2007（94）：457-472.

[22] 高洪軍，彭暢，張秀芝，等.秸稈還田量對黑土區土壤及團聚體有機碳變化特征和固碳效率的影響[J].中國農業科學，2020（22）：4 613-4 622.

[23] LAL R.A system approach to conservation agriculture[J].Journal of Soil and Water Conservation，2015，70（4）： 82-88.

Research Progress on Soil Carbon Sequestration in Dry Farmland Area

ZOU Yimiao1， BAI Wei2*， CAI Qian2， DU Guijuan2， LI Shuangyi1

（1.College of Land and Environment， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China; 2.Institute of Tillage and Cultivation Research， Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161， China）

Abstract： Dry farming is a kind of agricultural production mode widely existed in the world， and its soil carbon sequestration potential has attracted much attention. The paper discussed the influencing factors， carbon sequestration process and effect of soil carbon sequestration in dry farmland. It was concluded that protective tillage measures such as application of organic fertilizer， no-tillage， deep tillage and straw returning could increase the carbon sequestration in surface dryland soil， biodegradable film mulching could promote soil organic carbon sequestration， and rational arrangement of crops could improve soil carbon sequestration capacity.

Key words： dry farming; conservation tillage; soil organic carbon; carbon sequestration; tillage" measure

收稿日期：2023-04-07

基金項目：國家自然科學基金（32272232）；國家重點研發計劃（2022YFD1500601）；遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關專項計劃課題（2021JH1/1040003902）；中國科學院戰略性先導科技專項（XDA28090202）；遼寧省農業科學院基本科研業務費計劃項目（2021HQ1907）；遼寧省農業科學院學科建設計劃項目

作者簡介：鄒逸淼（2000—），男，碩士，主要從事黑土地保護與利用研究。

通信作者：白 偉（1982—），男，研究員，主要從事黑土地保護與利用研究。