保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的影響

王巖松，李夢迪，朱連奇

（1河南大學(xué)資源與環(huán)境研究所，河南開封475004；2河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開封475004）

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保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的影響

王巖松1,2，李夢迪2，朱連奇2

（1河南大學(xué)資源與環(huán)境研究所，河南開封475004；2河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開封475004）

摘 要：農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中受人類影響最大的碳庫，其恢復(fù)對(duì)于增強(qiáng)土壤質(zhì)量，保障糧食安全，涵養(yǎng)水源，減少大氣CO2排放具有重要意義。保護(hù)性耕作對(duì)減少水土流失，增加土壤有機(jī)碳、增加農(nóng)作物產(chǎn)量等方面有顯著效果。筆者綜述了保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳及土壤理化性質(zhì)的影響，探討了保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的影響，對(duì)保護(hù)性耕作存在的問題提出了改進(jìn)建議，為合理制訂耕作措施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性耕作；農(nóng)田；土壤有機(jī)碳；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力

0　引言

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的碳庫，作為影響大氣CO2濃度增減的重要的源和匯，土壤碳循環(huán)成為影響陸地碳循環(huán)，乃至全球碳循環(huán)中的重要因素[1-2]。農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫占到土壤碳庫的8%～10%，是受人類活動(dòng)干擾最強(qiáng)的碳庫[3]，自工業(yè)革命以來土地利用和土壤耕作已導(dǎo)致(136±55)Pg的有機(jī)碳損失，大部分被排放至大氣中，成為大氣CO2重要的源[4]。諸多研究表明，合理的農(nóng)業(yè)管理措施可以提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量，使之轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R[5-7]，而農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫的恢復(fù)對(duì)于增強(qiáng)土壤質(zhì)量，保障糧食安全，涵養(yǎng)水源，減少大氣CO2含量均具有重要意義[8-10]。

保護(hù)性耕作起源于美國，自20世紀(jì)30年代提出至今已有80余年的歷史。保護(hù)性耕作相對(duì)于傳統(tǒng)翻耕作業(yè)強(qiáng)調(diào)采用免耕和少耕來減少對(duì)農(nóng)田表層土壤的擾動(dòng)，作物秸稈進(jìn)行還田覆蓋以抵御風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤抗旱保濕的能力，從而提高土壤肥力和固碳能力[11]。其中，免耕就是徹底取消犁耕翻，不翻動(dòng)表土并保留一定的作物殘茬覆蓋[12]。少耕，就是盡量縮小耕耘面積和減少耕耘次數(shù)，一般不采用犁耕，僅為保證土壤疏松和播種、除草而保留輕微土壤作業(yè)[13]。已有的諸多試驗(yàn)和文獻(xiàn)資料大多表明，保護(hù)性耕可有效促進(jìn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的積累[14]，對(duì)提高土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有重要影響。筆者通過分析國內(nèi)外保護(hù)性耕作的發(fā)展?fàn)顩r，探討了保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳及作物產(chǎn)量影響的不確定性和復(fù)雜性，對(duì)保護(hù)性耕作存在的問題提出改進(jìn)建議，為合理制訂耕作措施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施，減少環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，提供了理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1　農(nóng)田土壤有機(jī)碳對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及固碳的意義

研究表明全球土壤碳庫約為2500 Gt，其中土壤有機(jī)碳庫(SOC)約為1550 Gt[4]。由于土壤無機(jī)碳庫(SIC)的更新周期超過1000年以上，短期內(nèi)減緩氣候變化的主要途徑是促進(jìn)土壤有機(jī)碳庫(SOC)的穩(wěn)定[6]。加之土壤有機(jī)碳庫是大氣碳庫的2倍，陸地生物碳庫的2～4 倍[15-16]，土壤碳庫的微小變化可以導(dǎo)致大氣CO2濃度的顯著變化[2]。土壤有機(jī)碳含量的變化主要取決于植物光和作用和有機(jī)質(zhì)分解作用獲取碳，由于土壤呼吸作用和有機(jī)質(zhì)的淋溶、破碎損失碳[17]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受人為擾動(dòng)后直接表現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯和碳源效應(yīng)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量是植物殘?bào)w量以及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結(jié)果[18]。全球農(nóng)業(yè)減排的自然總潛力每年高達(dá)7.3 Gt，其中93%來自減少土壤CO2排放，故而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有相當(dāng)可觀的固碳潛力，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)成為最具固碳潛力的陸地生態(tài)系統(tǒng)[19]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的變化集中變現(xiàn)為農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的變化，與自然土壤相比，農(nóng)田土壤極易受到人為因素的影響而引起土壤理化性質(zhì)的改變，從而改變土壤固碳環(huán)境以及相關(guān)的一系列土壤過程。尤其是農(nóng)田表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳直接與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)動(dòng)態(tài)混合，最直接反應(yīng)是環(huán)境變化導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳含量變化，受人為因素的劇烈擾動(dòng)，含量存在著很大差異，直接影響土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的高低[20]。這些人為因素對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響強(qiáng)度及速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的自然因素。合理的農(nóng)業(yè)管理措施，例如秸稈還田和有機(jī)肥配施、少免耕技術(shù)的推廣、化肥投入的增加都可以增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量[21-22]，而不合理的農(nóng)業(yè)管理措施，例如土地投入降低、秸稈移除、土地頻繁翻耕都會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的降低[23-24]。農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳含量對(duì)保持土壤肥力，改善氣候環(huán)境均具有重大的意義。加之人類所面臨的糧食安全問題，尋求經(jīng)濟(jì)增長和節(jié)能減排的平衡，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的碳匯效益，緩解全球溫室效應(yīng)，使得農(nóng)田土壤有機(jī)碳的研究成為了熱點(diǎn)。

2　保護(hù)性耕作的概念及方法和作用

2.1保護(hù)性耕作的概念

保護(hù)性耕作起源于美國針對(duì)20世紀(jì)30、40年代黑風(fēng)暴事件的一種保護(hù)性農(nóng)業(yè)措施，這次自然災(zāi)害導(dǎo)致了美國歷史上罕見的10年大旱災(zāi)，致使近4050 hm2的農(nóng)田表土喪失殆盡，1.4萬hm2的農(nóng)田遭到毀壞[25]。此次事件后，美國科學(xué)家開始深入研究農(nóng)業(yè)耕作對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響，倡導(dǎo)以免耕法為主的保護(hù)性耕作制度，保護(hù)性耕作隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求得以迅速發(fā)展。

保護(hù)性耕作的定義隨著農(nóng)業(yè)耕作的發(fā)展不斷變化，至今國際上還沒有統(tǒng)一定義。Mannering和Fenster將保護(hù)性耕作定義為“在某種種植制度下，能維持最少30%土壤覆蓋，并減少水土流失，提高耕地產(chǎn)量的一種耕作方式[26]”。國際保護(hù)性耕作信息中心(CTIC)將保護(hù)性耕作定義為“維持最少30%作物殘留覆蓋或維持1000 kg/hm2的作物殘留覆蓋土壤，以減少降水和風(fēng)沙侵蝕為主要目的的耕作方式”[27-28]。Lal[29]認(rèn)為保護(hù)性耕作主要是通過保留作物殘留來提高土壤質(zhì)量，減少水土流失的一種耕作方式。中國農(nóng)業(yè)部將保護(hù)性耕作定義為：在能夠保證種子發(fā)芽的前提下，通過少耕、免耕、化學(xué)除草技術(shù)措施的應(yīng)用，盡可能保持作物殘茬覆蓋地表，減少土壤水蝕、風(fēng)蝕，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[30]。普遍來說保護(hù)性耕作是采取一系列綜合措施用以減少水土流失，增加土壤有機(jī)碳、提高作物產(chǎn)量的耕作方式[31]。

2.2保護(hù)性耕作的方法和本質(zhì)

Unger和McCalla[32]、Cannel1[33]、La1[34]、Blevins和Frye[35]分別對(duì)保護(hù)性耕作方法和本質(zhì)進(jìn)行了闡述。目前，比較廣泛接受的分類為CTIC依據(jù)作物殘余管理系統(tǒng)將耕作方式進(jìn)行分類[28]。具體有免耕、壟作、冪作、少耕、常規(guī)耕作，前4種屬于保護(hù)性耕作的范疇，同時(shí)用作物殘茬覆蓋地表以抵御風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤抗旱保濕的能力，從而提高土壤肥力和固碳能力。

保護(hù)性耕作的核心內(nèi)容包含4個(gè)方面：一是摒棄傳統(tǒng)耕作方式，實(shí)行免耕或少耕，盡量減少對(duì)農(nóng)田土壤表層的擾動(dòng)；二是用作物殘茬覆蓋地表，在免耕或少耕的基礎(chǔ)上，秸稈加工還田可以起到固土和培肥的效果，有效減少風(fēng)蝕、水蝕和水分蒸發(fā)帶來的土壤質(zhì)量下降；三是采用免耕播種，省去耕地作業(yè)，減少機(jī)械擾動(dòng)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，有效降低作業(yè)成本；四是改人工作業(yè)控制雜草為機(jī)械表土作業(yè)或完全利用除草劑控制雜草[36]。

保護(hù)性耕作的本質(zhì)是改變傳統(tǒng)的精耕細(xì)作對(duì)土壤的過度加工，盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)蝕、水蝕和養(yǎng)分流失，達(dá)到保土保水、增加土壤肥力和保護(hù)土壤性狀的目的，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)減少勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備和能源的投入，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，達(dá)到節(jié)本、增收的目的，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效和生態(tài)環(huán)境的雙重有效保護(hù)，從根本上解決土地資源的保護(hù)和利用之間的矛盾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的雙贏[37]。

3　保護(hù)性耕作對(duì)土壤性質(zhì)及有機(jī)碳的影響

保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤的水分條件、溫度條件、肥力條件以及土壤的理化性質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生影響。加之由于作物系統(tǒng)的不同、輪作方式的不同，都會(huì)間接對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響。同時(shí)，秸稈還田和有機(jī)肥的施用是最直接提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的途徑。

3.1保護(hù)性耕作對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

不同耕作方式對(duì)土壤溫度、水分、容重和孔隙度、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等土壤物理特性的效應(yīng)存在差異[38-40]。保護(hù)性耕作對(duì)土壤溫度的影響主要來自秸稈覆蓋、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分條件的變化。周興祥等[41]的研究表明秸稈覆蓋對(duì)光輻射吸收及熱傳導(dǎo)具有顯著影響。周凌云等[42]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋秸稈的麥田冬季可提高耕層土壤(0～15 cm)溫度0.5～2.5℃。袁家富[43]研究發(fā)現(xiàn)麥田覆蓋稻草對(duì)土壤調(diào)溫有顯著作用，這種作用隨覆蓋量和土壤深度的增加而增加。陳素英等[44]研究認(rèn)為秸稈覆蓋可有效提高土壤表層0～20 cm地溫，在冬季秸稈覆蓋比不覆蓋可高0.2～1.1℃。

由于作物秸稈與殘茬覆蓋地表，可有效減少土壤水分蒸發(fā)，達(dá)到土壤蓄水保墑的作用。丁昆侖等[45]的研究表明秸稈覆蓋可有效保持表層土壤結(jié)構(gòu)，使耕層土壤含水量提高2%～11%，這種效果在干旱年份尤為顯著。張海林等[46]的研究表明免耕比傳統(tǒng)耕作可增加土壤蓄水量10%，提高水分利用率10%，減少水分蒸發(fā)約40%。劉躍平等[47]的研究表明秸稈覆蓋較常規(guī)耕作方式地表徑流量減少57%，蒸發(fā)量降低32%，降水利用率提高43%。黃高寶等[48]研究發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋能夠顯著改善0～200 cm土層土壤貯水量及含水量，隨著降水量的增多土壤對(duì)降水的保蓄能力增強(qiáng)。王改玲等[49]人不同年限免耕覆蓋的小麥生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作能增加土壤孔隙度，從而降低土壤容重，有利于土壤持水。

保護(hù)性耕作使土壤容重降低、孔隙度增加、且隨著保護(hù)年限的增加，土壤容重呈降低趨勢[50]。嚴(yán)潔等[51]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)施行保護(hù)性耕作可以改變土壤內(nèi)部團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，改善土壤的持水性和通氣性，利于養(yǎng)分的貯藏和釋放。武際等[52]對(duì)連續(xù)4年的稻麥輪作制試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕提高了耕層土壤體積質(zhì)量，降低了土壤含水率，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在表層土壤的富集。王巖等[53]在華北高寒區(qū)的試驗(yàn)證明不同耕作方式對(duì)農(nóng)田耕層土壤容重具有明顯的影響，翻耕和松耕可以顯著降低耕層土壤容重。鞏文峰等[54]等在對(duì)黃土高原旱地表層土壤理化性質(zhì)變化研究表明示，保護(hù)性耕作在維持表層土壤含水量、降低土壤容重和提高土壤孔隙度、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成和提高有機(jī)碳利用率方面具有良好的效果。張仁陟等[55]認(rèn)為免耕秸稈覆蓋措施有助于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤侵蝕、改善土壤持水特性、提高土壤養(yǎng)分利用效率、改善土壤微生物活性、增強(qiáng)作物光合效能、從而增加作物產(chǎn)量，對(duì)改善區(qū)域土壤質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

3.2保護(hù)性耕作對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

保護(hù)性耕作能增加土壤中氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤陽離子交換量，降低土壤的pH，影響土壤酶活性以及土壤微生物的種類和數(shù)量[56-59]。已有研究表明，土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀等含量隨著免耕和秸稈覆蓋年限的增加而增加[43,51,60-61]。張水清等[62]研究認(rèn)為免耕、淺耕較旋耕、深耕可以一定程度上提高苗期和灌漿期土壤含水率，以及土壤堿解氮和有效磷，并顯著提高作物不同生育時(shí)期的土壤微生物生物量碳氮。劉禹池[63]研究認(rèn)為保護(hù)性耕作以及保護(hù)性耕作條件下增施化肥對(duì)耕層土壤養(yǎng)分全量和速效量以及有機(jī)質(zhì)含量都有提升作用，尤其是0～5 cm的提升更為顯著，保護(hù)性耕作條件下增加化肥的施用量提高了土壤養(yǎng)含量和有機(jī)質(zhì)含量。慕平[64]的研究顯示相對(duì)于翻耕稻稈覆蓋，免耕無覆蓋與保護(hù)性耕作耕層0～30 cm速效氮和速效磷均有所增加，但速效磷以保護(hù)性耕作增長幅度最大，而速效氮卻以保護(hù)性耕作增長幅度最小。戴志剛等[65]研究認(rèn)為秸稈還田能夠有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量，但是對(duì)土壤全磷、速效磷影響較小，并得出秸稈還田是影響土壤理化性質(zhì)的主要因素，不同耕作模式之間差異不顯著。嚴(yán)潔等[51]研究認(rèn)為進(jìn)行免耕稻稈覆蓋處理的土壤養(yǎng)分除堿解氮外，有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷及速效磷、速效鉀均高于免耕無稻稈覆蓋和常規(guī)耕作的土壤。徐國偉等[66]研究認(rèn)為秸稈還田能夠增強(qiáng)土壤酶活性，降低土壤中Na+、Mg2+及Ca2+含量，提高土壤肥力。蘭宇等[67]研究除了發(fā)現(xiàn)秸稈還田和施加有機(jī)肥可增加土壤酶活性外，還發(fā)現(xiàn)土壤脲酶與轉(zhuǎn)氨酶與土壤中氮、磷、鉀與有機(jī)質(zhì)含量，含水量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。朱新玉等[68]的研究表明長期施加有機(jī)肥有利于提高土壤動(dòng)物群落的豐富度和多樣性，并認(rèn)為施肥方式對(duì)土壤中動(dòng)物類群密度的影響差異性顯著。向新華[69]的研究表明保護(hù)性耕作能明顯提高土壤細(xì)菌和真菌的數(shù)量，但對(duì)其比率無明顯影響，尤其利于鐮孢菌和腐霉菌在土壤中累積。

3.3保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及土壤有機(jī)碳的影響

耕作是引起農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量下降的主要原因，耕作的機(jī)械作用使土壤破碎、分散和混合，直接或非直接地造成土壤有機(jī)質(zhì)含量下降[70]。尤其是傳統(tǒng)耕作方式更容易導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎，破壞土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)層，加快土壤氧化和礦化過程[71]；與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作減少了對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞，利于土壤表層有機(jī)質(zhì)的累積，這是保護(hù)性耕作（特別是免耕）最典型的特點(diǎn)之一[72]。同時(shí)，秸稈還田和施加有機(jī)肥是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)輸入的主要途徑，施加化肥是影響有機(jī)質(zhì)累積速率的主要因素[73]。一般認(rèn)為，保護(hù)性耕作措施可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)及有機(jī)碳含量[74-75]。Zotarelli等[76]研究發(fā)現(xiàn)12年的免耕使巴西農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)由傳統(tǒng)耕作下的每公頃損失19.2 mg有機(jī)碳降低到1.4 mg。Yang等[77]研究發(fā)現(xiàn)實(shí)行保護(hù)性耕作使北美地區(qū)農(nóng)田土壤耕層有機(jī)碳含量在10年增加了7%～ 10%。Lou等[78]對(duì)中國北方耕地進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作相對(duì)于傳統(tǒng)耕作可明顯增加土壤表層有機(jī)碳含量，0～15 cm和20～40 cm有機(jī)碳含量的比值在保護(hù)性耕作條件下為1.5～1.8，而傳統(tǒng)耕作下僅為1.2～1.3。以往的試驗(yàn)表明，這種有機(jī)質(zhì)的積累多集中于土壤表層，但對(duì)深層土壤有機(jī)碳含量是否增加及其是否隨耕作年限的增加而持續(xù)變化結(jié)論不一致[79]。Blevins等[80]經(jīng)10年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)免耕土壤0～5 cm的土壤有機(jī)碳是犁耕土壤的2倍。Lal和Ussiri[81]經(jīng)過43年長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，免耕可顯著降低土壤有機(jī)碳的礦化率，從而增加了耕層0～15 cm土層有機(jī)碳含量，但不同的耕作措施對(duì)15～30 cm土壤有機(jī)碳含量的影響則不大。Kahlon等[82]經(jīng)過22年的耕作試驗(yàn)研究得出，免耕可使0～20 cm土壤全碳含量較翻耕增加約30%。陳學(xué)文等[83]認(rèn)為，免耕可使0～5 cm表層土壤中的有機(jī)碳含量顯著提高，但在下層含量會(huì)下降，整體表現(xiàn)為0～30 cm并沒有增加含量。也有人認(rèn)為長期秸稈覆蓋免耕條件下土壤有機(jī)質(zhì)基本處于平衡狀態(tài)[84]。Angers等[85]研究發(fā)現(xiàn)，在免耕和常規(guī)耕作處理下，在0～10 cm深度上，免耕處理碳總量高于常規(guī)耕作，但在20～40 cm深度上則情況相反，總體而言在0～60 cm內(nèi)土壤有機(jī)碳總量沒有明顯變化。Hendrix等[86]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3年的頻繁耕翻，土壤總碳量沒有出現(xiàn)明顯流失，但在16年后，常規(guī)耕作下土壤總碳量流失達(dá)到40%，而免耕土壤總碳量流失僅有18%。李卿沛等[87]對(duì)西部干旱農(nóng)區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作可以提高0～30 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量，但是對(duì)養(yǎng)分總量平衡的影響不大。

4　保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的影響

中國作為一個(gè)人口大國，如何確保經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下的糧食安全問題，始終是中國所要面臨的一個(gè)首要任務(wù)。然而，在現(xiàn)今的發(fā)展模式中，糧食產(chǎn)量的提高，往往伴隨著環(huán)境的惡化和生產(chǎn)成本的攀升[88]。保護(hù)性耕作改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤無機(jī)、有機(jī)養(yǎng)分，增強(qiáng)了土壤的蓄水保墑能力，改善了作物土壤生長環(huán)境，其注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展引起了科學(xué)家的普遍重視[89]。許多研究表明，保護(hù)性耕作可以有效提高作物產(chǎn)量[45,51-52]。王育紅等[90]指出，高留茬深松較傳統(tǒng)耕作冬小麥平均增產(chǎn)18.8%。王改玲等[49]研究發(fā)現(xiàn)免耕覆蓋年限越長，越是干旱的年份，小麥增產(chǎn)效果越明顯。趙海超[91]研究表明通過施用有機(jī)肥可以明顯增加玉米百粒重，使春玉米產(chǎn)量增加了26.15%～52.66%，深松比傳統(tǒng)耕作使春玉米產(chǎn)量增加了3.59%。祿興麗等[92]研究發(fā)現(xiàn)深松還田的耕作方式可以有效增加玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重，可以提高產(chǎn)量達(dá)到33.3%。姬強(qiáng)等[93]研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)耕作相比免耕、旋耕、深松模式下的作物產(chǎn)量提高了5%～25%。

也有學(xué)者認(rèn)為保護(hù)性耕作條件下，作物增產(chǎn)和實(shí)施保護(hù)性耕作的年限和方式以及作物類型有密切關(guān)系。Manna等[94]研究認(rèn)為在稻麥輪作體系下，長期施用肥料可使作物產(chǎn)量隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑鲩L而逐漸降低。劉杰等[95]研究認(rèn)為秸稈覆蓋的數(shù)量、時(shí)長影響作物產(chǎn)量，低秸稈覆蓋量可增加小麥產(chǎn)量，而過度覆蓋量可造成小麥減產(chǎn)。杜興斌等[96]研究認(rèn)為翻耕直播隨著輪作時(shí)間加長產(chǎn)量有逐年下降趨勢，而免耕直播作物產(chǎn)量有逐年上升趨勢。張興義等[97]研究認(rèn)為免耕較傳統(tǒng)旋耕條件下，經(jīng)過9年的試驗(yàn)，玉米減產(chǎn)量可達(dá)到20%以上，而大豆可增產(chǎn)達(dá)到10%左右。Verhulst等[98]研究發(fā)現(xiàn)在作物生長季，保護(hù)性耕作條件下的作物雖在初始階段生長緩慢，但后期生長較快，從而提高了最終的籽粒產(chǎn)量。

但也有研究表明，保護(hù)性耕作并不能提高作物的產(chǎn)量，相反的會(huì)降低作物產(chǎn)量[99]。賀丹等[100]研究認(rèn)為水稻采用常規(guī)耕作、保護(hù)性耕作種植分蘗數(shù)和產(chǎn)量結(jié)果為常規(guī)耕作＞保護(hù)性耕作。梁忠義[101]研究表明，采取保護(hù)性耕作較常規(guī)耕作稻谷減產(chǎn)35.04%。劉爽[102]經(jīng)過8年試驗(yàn)認(rèn)為免耕可使玉米減產(chǎn)，而少耕未使玉米和大豆減產(chǎn)。因此可見，保護(hù)性耕作對(duì)于作物產(chǎn)量的影響的機(jī)制還需要更深入的研究來揭示。

5　存在問題

目前，國內(nèi)外農(nóng)田土壤普遍存在有機(jī)碳含量下降，土壤板結(jié)的現(xiàn)象，對(duì)土壤的理化性狀產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，降低了農(nóng)田土壤供水供肥能力，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力持續(xù)下降，土地利用可持續(xù)性降低。因勢而行，保護(hù)性耕作隨之得以迅速發(fā)展，耕作方式的選擇成為影響糧食生產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的關(guān)鍵因素。雖然保護(hù)性耕作在國外已經(jīng)有了近80年歷史，但國內(nèi)保護(hù)性耕作的歷史卻較短，目前中國僅有6%的耕地采取了有效的保護(hù)性耕作措施，而這一數(shù)值在北美達(dá)到了60%[103]。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究中大部分多集中于農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的微觀尺度試驗(yàn)，少有針對(duì)大田中觀、宏觀尺度的研究。這種由于保護(hù)性耕作發(fā)展歷史的不同，技術(shù)發(fā)展水平的不同，以及群眾自我意識(shí)的差異所引起的差距無疑是巨大的。而如何將農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的技術(shù)條件推向大田農(nóng)業(yè)，使普通農(nóng)民自覺改善農(nóng)田管理方式，對(duì)發(fā)展中國經(jīng)濟(jì)，確保糧食安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的“雙贏”都具有重要的意義。采用保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作條件下大田土壤有機(jī)碳含量的差異有多大，每年的變化速率是否相同，地域差異性如何，不同的保護(hù)性耕作措施是否具有普適性，這種針對(duì)大田土壤有機(jī)碳含量差異變化的時(shí)空對(duì)比研究還很少。

6　研究展望

盡管目前對(duì)保護(hù)性耕作方式對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響的研究已取得了大量的成果，但由于農(nóng)田土壤有機(jī)碳不僅受自然因素的影響，而且受人為因素的影響，其變化機(jī)理十分復(fù)雜，加之研究條件的限制，造成諸多研究結(jié)果也不盡一致。因此，在以后的研究中應(yīng)傾向于以下幾個(gè)問題：

（1）研究大田背景下的土壤有機(jī)碳的分布變化規(guī)律及其影響因素。目前多數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究是基于長期的試驗(yàn)站定位研究，這類方法固然可以得到精確的試驗(yàn)結(jié)果，但肯定和廣大農(nóng)村實(shí)際推廣的保護(hù)性耕作條件下的土壤有機(jī)碳實(shí)際狀況有著較大的差異，這種差異在空間上和深度上有何不同，值得深入研究。

（2）對(duì)保護(hù)性耕作對(duì)土壤理化性質(zhì)的研究和農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究值得更加深入細(xì)分。由于研究區(qū)域分屬不同的土壤類型和生態(tài)氣候類型下，保護(hù)性耕作應(yīng)該適時(shí)適地的進(jìn)行影響機(jī)理研究，中國幅員遼闊的現(xiàn)實(shí)，也決定了這項(xiàng)工作的任重而道遠(yuǎn)。

（3）注重進(jìn)行對(duì)比研究。因?yàn)榇嬖诓煌膮^(qū)域差異，不同的用地類型差異，不同的土壤類型差異。這種自然條件的差異，單獨(dú)的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站很難覆蓋，因此有必要開展系統(tǒng)的對(duì)比研究，對(duì)比不同區(qū)域，不同用地類型，不同土壤類型下土壤有機(jī)碳存在的差異，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響也具有積極意義。

（4）針對(duì)土壤有機(jī)碳多因子綜合效應(yīng)進(jìn)行研究。農(nóng)田土壤有機(jī)碳除了受到外界環(huán)境因素的影響，還和土壤本身的理化性質(zhì)和人類的管理措施有著密切的關(guān)系。關(guān)注保護(hù)性耕作的條件下，也同時(shí)應(yīng)該考慮其他因子對(duì)土壤有機(jī)碳庫的協(xié)同影響?；诙嘁蛩氐木C合分析，對(duì)人們?cè)诓煌h(huán)境下確定更合理的固碳措施有積極作用。

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Effects of Conservation Tillage on Soil Organic Carbon and Agricultural Productivity

Wang Yansong1,2,Li Mengdi2,Zhu Lianqi2
(1Institute of Resources and Environment,Henan University,Kaifeng 475004,Henan China;2College of Environment and Planning,Henan University,Kaifeng 475004,Henan China)

Abstract:Farmland soil organic carbon pool is the carbon pool affected by human mostly,its recovery has important significance on soil quality enhancement,food security guarantee,water conservation and CO2emission decrease.Conservation tillage has significant effect on the decrease of water and soil loss,the increase of soil organic carbon and the increase of crop yield.The authors summarized the influence of conservation tillage on soil organic carbon and soil physical and chemical properties,discussed its effect on agricultural productivity,put forward improvement suggestions based on the problems existing in the conservation tillage,and provided scientific basis for reasonable cultivation measures and agricultural management.

Key words:Conservation Tillage;Farmland;Soil Organic Carbon;Agriculture Productivity

中圖分類號(hào)：K903，S158.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas15080006

基金項(xiàng)目：河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目“黃淮海平原典型農(nóng)地利用條件下的土壤固碳潛力研究——以開封市為例”(132300410145)；河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目“黃淮平原區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳影響因素研究——以開封市為例”(13B170922)；河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目“黃淮海平原農(nóng)田土壤黑碳分布狀況及其影響因素研究”(14A170003)。

第一作者簡介：王巖松，男，1979年出生，河南靈寶人，講師，在讀博士，主要從事土地資源管理方面研究。

通信地址：475004河南省開封市河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，Tel：0371-23881850，E-mail：wangys@henu.edu.cn。 475004河南省開封市河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，Tel：0371-23881857，E-mail：lqzhu@henu.edu.cn。

通訊作者：朱連奇，男，1963年出生，河南鄲城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地資源開發(fā)利用、土壤地理學(xué)方面研究。

收稿日期：2015-08-05，修回日期：2015-11-13。