【农工】北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响

第31卷第4期农业工程学报V ol.31 No.4240 2015年2月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2015 北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响张恒恒，严昌荣，张燕卿，王健波，何文清，陈保青，刘恩科※（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点开放实验室，北京 100081）摘要：农田系统对大气CO2库呈碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳的固定和温室气体释放之间的平衡，而耕作措施会改变土壤有机碳含量和储量，影响农田系统的碳循环与碳平衡。

该研究以北方旱区山西临汾20 a长期保护性耕作定位试验为基础，田间原位测定土壤呼吸和土壤有机碳含量，确定各类农业投入碳排放参数，利用碳足迹方法综合分析不同耕作措施（传统耕作CT和免耕NT）下农田生态系统碳平衡。

结果表明：在化肥、机械等农业投入产生的间接碳排放量方面，化肥投入碳排放量约占系统农业总投入碳排放量的73.5%～77.4%，是农业投入中主要的碳源。

由于免耕减少了翻耕、旋耕和秸秆移除3道程序，NT比CT少排放约5.1%，NT产量显著提高28.9%，且碳生产力大于CT。

0～60 cm土壤有机碳储量NT（50.86 Mg/hm2）比CT（46.00 Mg/hm2）高10.5%。

与CT相比，在小麦休闲期和生育期NT土壤呼吸CO2释放总量高于CT。

但根据农田系统碳平衡公式分析得出，NT更有利于农田生态系统固碳，呈碳汇效应，而CT表现为碳源。

因此，长期免耕耕作能够提高农田土壤固碳量，减少大气温室气体排放，对于改善北方旱区土壤碳库和减排效果是一个良好的选择。

关键词：土壤；农业；生态系统；传统耕作；免耕；土壤有机碳；碳平衡doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.04.034中图分类号：S181 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-04-0240-08张恒恒，严昌荣，张燕卿，等. 北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：240－247.Zhang Hengheng, Yan Changrong, Zhang Yanqing, et al. Effect of no tillage on carbon sequestration and carbon balance in farming ecosystem in dryland area of northern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 240－247. (in Chinese with English abstract)0 引 言气候变化是当前国际社会普遍关心的重大全球问题，是全人类面临的共同挑战。

由于温室气体排放的增加，二十世纪以来全球温度升高了0.6 ±0.2 °C[1]。

根据联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）报告，农业已成为第2大温室气体（greenhouse gas，GHG）来源[2]。

农业每年排放CO2 6.1 Gt/a的温室气体，大约占全球温室气体排放10%～12%[3]。

其中土地利用和土地覆盖变化及农业生产占据了全球每年CO2排放量的20%[4]。

土壤碳固存可以提高陆地碳储量，进而减少大气CO2浓度，许多研究表明农业生态系统具有提高土壤碳储量的潜力，进而降低温室气体的排放[5-7]。

在不同的土地利用方式和管理措施下，土壤碳库会成为大气碳库的源或库。

研发和利用具有高固碳、低排放的农业技术和模式是未来农业发展的重要目标之一。

收稿日期：2014-12-15 修订日期：2015-02-01基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201503120）；国家自然科学基金（31170490；31470556；31171512）国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAD09B01）作者简介：张恒恒，男，山东临沂人，主要从事土壤肥力研究。

北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。

Email：zhanghengheng1314@，※通信作者：刘恩科，男，山东烟台人，博士后，副研究员，主要从事旱作农田碳氮循环机理研究。

北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。

Email：liuenke@农业生产技术如保护性耕作、合理施肥制度和轮作能够减少温室气体排放，提高土壤有机碳固存量，提高作物产量[8-9]。

Johnson等[10]研究指出与传统耕作相比，免耕能够增加土壤有机碳含量达1 467 kg/(hm2·a)（以CO2计）。

Aurich等[11]报告由于较低的农业投入，保护性耕作能够减少温室气体的排放。

同样其他研究表明由于减少土壤扰动和秸秆还田，免耕和少耕可提高土壤有机碳库[12-14]。

因而，合理的农业措施是增加土壤固碳潜力，减缓气候变化的重要措施。

不同农业措施的效果不同，为解释耕作措施引起净CO2释放的改变，进而评估碳固定对大气CO2库的影响，需采用系统的碳平衡分析方法，全面分析农田生态系统的碳循环，评价耕作措施的温室气体减排和固碳潜力。

量化农田生态系统固碳潜力时，不仅要考虑物质能量投入对土壤固碳能力的提高，还要考虑其对温室气体的贡献，如肥料、除草剂等农业投入的生产、包装、储存、分配等过程和农业机械的使用都会消耗化石燃料和其他能量，这些都会产生CO2和其他温室气体，并释放到大气中。

若不考虑能耗引起的CO2排放，这种对农田生态系统净碳排放的评价是不完全的[15]。

国外学者采用农业生态系统能量分析方法将对耕作系统能耗经济分析和土壤固碳及CO2释放联系起来[16]。

通过将不同耕作方式、肥料和农药、灌溉、收获及秸秆还田等农业投入和管理措施转化为能量，进一步折算为碳转化系数，比如播前整地、土壤肥力管理、害虫防治及其他农艺措施所消耗的能量，可以将农业系统中不同量纲的投入与产出第4期张恒恒等：北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响241在同一量纲下进行比较评价。

中国北方旱区土地面积广袤, 水资源缺乏, 年均降水量一般在300～600 mm，旱作农业是主要的农业生产方式 [17-18]。

然而由于人为活动，尤其农事活动，导致该地区水土流失、风化沙化等问题日趋尖锐[19]。

20世纪80年代以来，中国开始推广少免耕（reduced tillage、no-tillage）、秸秆覆盖（straw mulching）等保护性技术，可有效地减缓旱作农田土壤风化沙化，增加作物产量[20]。

农田耕作措施是农田最主要的CO2排放过程[21]，直接影响土壤有机质分解及土壤碳循环，同时由于化学物质、人力、燃料投入量的不同，不同耕作措施下农业投入碳排放量不同，也会间接影响系统能耗和碳循环[21-22]。

许多研究只是从短期上研究不同耕作系统中土壤有机碳固定及储量变化，而长期定位试验鲜有报道。

本研究立足20 a长期保护性耕作定位试验，进行农田耕作系统碳平衡分析，定量描述耕作方式转变对净碳通量的影响，评价土壤固碳效率与碳生产力，明确旱地农田系统碳汇潜力，旨在为北方旱区碳汇和温室气体减排提供理论参数。

1 材料与方法1.1 研究思路当评估C固定对大气CO2库的影响，评价农田耕作系统的碳平衡，首先必须确定系统边界，明确系统碳固定量及系统碳释放量，同时估测所有C循环过程如农业投入造成的间接碳释放。

本研究在West和Marland[23]建立的系统模型基础上，修改并建立农田耕作系统碳平衡模型（图1），同时界定农田土壤-作物系统边界，不仅考虑了土壤呼吸直接碳排放，还将农业投入（种子、化肥、机械等）产生的碳排放纳入分析，评价不同耕作方式固碳潜力，系统分析农田耕作系统碳平衡。

图1 农田耕作系统碳平衡模型Fig.1 Concept model of carbon balance in soil tillage systems1.2 田间试验1.2.1 试验区概况试验地点设在山西省临汾市尧都区（111°30′N、36°04′E）长期定位试验区，长期定位试验始于1992年，由中国农业大学、澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland，Australia）和山西省临汾市尧都区农机局开展。

试验区海拔450 m，年平均气温10.7℃，180 d无霜期。

该地区主要以半干旱气候为主，年平均降雨量为555 mm，集中在7－9月份，旱季会发生严重的干旱。

土壤为肉桂黄土、有机质含量低、略显碱性。

根据美国土壤分类系统，土壤属于粉砂壤土。

试验地土壤初始背景值为：pH值7.7，土壤有机碳13.0 g/kg，全氮0.50 g/kg，全磷0.15 g/kg，全钾12 g/kg。

1.2.2 试验设计试验区种植制度为一年一熟，种植作物为冬小麦，每年9月20日左右种植，6月10日左右收获，收获后直到下一季播种之间处于休闲期。

试验区分为传统耕作（traditional tillage，CT）、免耕秸秆还田（no-tillage，NT）2个处理。

传统耕作CT：6月份进行小麦机械收获，移走小麦秸秆，留下大约10～15 cm高的根茬，然后在10 d内进行翻地，深度大约为15～20 cm。

在9月下旬进行播前整地，然后使用常规播种机进行播种。

免耕秸秆还田NT：机械化收获小麦，保留大约10～15 cm高的根茬，前茬小麦秸秆全部还田覆盖于地表（平均3.75 t/hm2）。

在休耕期不进行翻耕处理，使用除草剂和杀虫剂控制杂草和害虫的生长，休耕期持续到9月中旬。

在9月20日左右使用贴茬播种机进行小麦播种，到次年6月10日左右收获。

每个处理设3个重复，小区大小3 m×80 m=240 m2。

本试验使用的冬小麦品种为临汾225，播种量为225 kg/hm2。

在小麦休闲期和生育期喷洒1.5 kg/hm2除草剂（2,4-D丁醇）和2.7 kg/hm2杀虫剂（乐果）进行防治杂草和害虫。

肥料在小麦播种时一次性随播种机施入试验田中，主要以尿素、磷酸氢二铵和氯化钾为主，其施用量分别为150 kg/hm2（以N计）、140 kg/hm2（以P2O5计）、62 kg/hm2（以K2O计）。

1.3 测定项目及方法1.3.1 土壤呼吸的测定2012年7月－2013年6月测定不同耕作处理小麦休闲期和生育期土壤呼吸动态变化。