东北黑土区玉米带保护性耕作固碳效应研究进展

滕泽宇　李明嵘　马丽娜　王柏　陈智文

摘要 东北黑土区是我国重要粮食生产区，黑土地保护和利用已经上升到国家战略，目前在东北黑土区实施的保护性耕作技术是缓解气候变化的一项重要策略，但不同研究中保护性耕作对黑土固碳、释碳和作物产量的影响存在较大的差异，需要进一步阐明黑土固碳与释碳的影响机制。围绕东北黑土区玉米带的特殊环境条件以及保护性耕作方式，系统地梳理了黑土固碳与释碳理论的演变及最新试验证据，明确黑土区环境特征、施肥及耕作方式对黑土碳固存与释放的影响机制、途径及效果。提出未来黑土固碳与释碳研究的重点方向和内容，建议后续进行长期性、针对性与定量性的研究，以推动黑土固碳与释碳研究的深入开展。

关键词 黑土；保护性耕作；土壤有机碳；固碳；释碳

中图分类号 S154.1 文献标识码 A 文章编号 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

土壤有機碳库是自然界最重要的碳库之一，其碳储量超过大气碳库的2倍［1］。土壤有机碳（SOC）/有机质（SOM）在土壤中的固存与周转具有重要的生态与环境效应。SOC的累积可改善土壤的物理、化学及生物特征，是保障作物生长的重要因素［2］，也是评价黑土土壤肥力质量的重要指标［3］。土壤碳向大气的释放是影响全球气候变化的重要因子［4］，农田SOC 库易受人类活动干预，可在较短的时间内对耕作方式和环境条件做出响应。因此，增加农田SOC的固存被视作抵消人为CO2排放和提高土壤肥力的双赢策略与途径［5］。

我国东北为世界四大黑土区之一，主要分布在黑龙江和吉林两省，区内低温潮湿的气候和以草本为主的自然植被有利于黑土中SOC的积累，具有自然肥力高、富含有机质且适于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力与物理、化学和生物学特性。但经过多年开垦特别是传统的耕作方式降低了SOM的输入，强烈改变了土壤理化性质，造成SOC流失、土壤固碳能力下降，土壤肥力降低。20世纪60年代起，东北黑土区率先开展保护性耕作研究，已初步形成具有区域特色的保护性耕作体系［6］。区内的主要作物玉米不仅在粮食生产方面占据重要地位，也为许多食品及工业产业提供了重要的原料保障。黑土区优质的土壤资源与适宜的环境条件为玉米高产、丰产、稳产奠定了基础，有“黄金玉米带”的美誉。但高强度的玉米生产带来一系列的环境问题［7］，对实现玉米生产的可持续发展提出了更高的要求，特别是在保证玉米产量的前提下，降低玉米生产过程中的资源消耗与环境负担是当前急需解决的科学问题［8］。秸秆还田少免耕能增加黑土区玉米带SOC含量。但SOC在土壤中固存的多种机制通常相互矛盾或不一致［9］，固碳速率与固碳量的计算与预测差异较大［10-12］，需要仔细总结黑土固碳与释碳研究现状，明确黑土固碳与释碳的本质，进一步阐明其形成过程。

1 土壤有机碳固存过程及黑土区环境的影响

土壤有机碳库由不同稳定性与周转率的多种碳库构成［11］。农业土壤的固碳效应及SOC的具体储量，主要取决于通过土壤微生物活动所介导的有机碳输入和输出之间的平衡［1］。其输入源主要为植物根系分泌物、植物残体以及有机肥等外源添加物，固存途径主要包括矿物吸附、团聚体保护与微生物周转累积等［11，13-14］。保护性耕作等农业生产方式通过直接改变有机碳输入或间接改变微生物的环境条件来影响耕作层土壤的碳循环过程［15］。研究发现，土壤细粒级比粗粒级对有机质具有更强的固持作用［11］，黑土成土母质较为黏重，土壤中黏、粉粒含量及活性较高，因此对外源有机碳产生较强的吸附作用，且易于秸秆等残体与土壤黏粒之间的团聚［16-17］。土壤肥力状况与土壤生物特性具有紧密联系，可影响有机质与分解者之间的联系，促进或限制微生物残体的产生与积累［18］。土壤初始有机碳水平直接影响外源有机碳输入后土壤碳饱和度，较高的初始有机质含量可使土壤微生物获得更为充足的能源与碳源，增强微生物活性，但有机质饱和后会抑制外源有机碳的进一步固定，继续投入大量外源碳仅促进了SOC与外源有机碳的更替周转而非积累［19］。秸秆还田后土壤微生物对秸秆碳的利用能力受土壤已有肥力水平的显著影响，高肥力土壤一般对土壤微生物残体的积累有积极影响［20-21］，在对微生物残体的固持能力方面显著强于有机质含量较低的土壤类型［21］，有利于碳素的固持；而低肥力土壤中的土壤微生物则更倾向于利用外源（如作物残体）碳［22］，且低肥力水平下秸秆还田更有利于土壤真菌而非细菌残体的积累［23］，这种微生物残体类型的区别可进一步造成有机碳库组分及稳定性的差异。

黑土区春季多大风和夏季降水集中的气候特征与多漫岗的地貌特征，导致SOC最为丰富的表层土壤易遭风蚀、水蚀。冬季的低温限制土壤微生物活性进而降低SOC的周转与矿化强度，而冻融循环过程会导致秸秆部分老化破碎，短期内可释放出更多的碳［24］。土壤水分的反复冻融也易导致土壤空隙增加，SOM自团聚体中暴露，加快SOC的矿化［25］。

2 黑土区耕作方式与土壤固碳效应

黑土区玉米带内常见的耕作方法包括翻耕、免耕、旋耕、条耕和深松等，对土层扰动大、留茬覆盖面积小的传统耕作方式被认为是导致黑土开垦后SOC快速流失的重要因素。对土壤扰动较大的耕作方式，即便与秸秆还田相配合，在有利于增加深层土壤的外源碳输入的同时，亦会加快SOC的矿化过程而阻碍SOC含量的恢复［26］，所导致的高强度的碳周转对环境变化可能更为敏感。与之相比，长期的少免耕可显著减少对黑土结构的破坏，降低土壤容重，进而通过土壤环境状况的改变而影响耕层的固碳能力［27］。

耕作方式除直接影响土壤物理状况外，也会改变土壤微生物的生存环境，影响固碳过程。少免耕等保护性耕作提高了土壤团聚体粒级分布及其稳定性，改变了团聚体各粒级的碳、氮含量。少免耕对于作物生长的增益与土壤环境的改善，加快了土壤呼吸碳排放［28］。与少耕相比，免耕可最大程度上降低机械化耕作所带来的碳排放及对土层的机械压实，但在改善土壤结构及蓄水保墒方面不如深松等方式，并易导致土层间土壤环境状况及微生物状况的差异增大，出现表层SOC增加的同时亚表层SOC含量降低的分層现象［29］。对于土壤微生物来说，真菌代谢过程中所储存的碳素更多，而少免耕能够减少对真菌菌丝的破坏，这有利于真菌对碳的截获与大团聚体的形成与稳定［30］。

在无秸秆覆盖的条件下，短期免耕对SOC的含量没有显著影响［31］，需要长时间持续免耕（10年以上）才体现出有对于土壤固碳的增益［32］，秸秆覆盖还田免耕比传统耕作更有利于SOC的增加［33］。外源有机碳的输入与免耕可简化土壤孔隙结构，改善土壤中的空气和水的流动，通过减轻干旱对作物的胁迫而影响有机碳的输入过程。夏季降水集中的黑土区由于土壤水分过多通气性较差而可能出现周期性限氧，但矿物保护碳的释放可抵消缺氧对于微生物代谢的限制［34］。因此，长期少免耕对于土壤通气性的提高并不一定能进一步促进SOC的矿化，土壤保墒能力的提高导致土壤温度降低，在一定时间段内（特别是春季）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层，降低深层土壤容重，增加土壤深层水分，促进玉米等作物根系生长，增加作物深层根系生物量及残体的输入量进而增加土壤的固碳能力，这对于黑土等质地较为黏重的土壤更为明显［35］。但通过增加深层土壤通透性而加速SOC矿化（如增加土壤通气性及改变土壤微生物群落结构与活性）的风险，因此深松的具体固碳效应在不同研究中差异较大［36-37］，这种不同的影响可能源于不同土壤初始有机碳水平、有机碳输入水平及耕作方式持续时间的差异［38］。

3 黑土区施肥与土壤固碳效应

施肥提高了农作物生物产量，增加SOM输入并促进其降解，改变了土壤内的化学及生物过程，强烈地影响土壤中部分有机碳组分固持与累积［39］。合理施肥是保护性耕作的内涵之一［7］，单施化肥、减施化肥与有机肥对化肥的部分替代都会对黑土区玉米带的土壤固碳过程产生影响。施用化肥（特别是无机氮）对于土壤碳矿化的影响可表现为激发也可表现为抑制［18，40］，或是表现为从激发到抑制的转变［41］。高氮输入可增加根系分泌物，其中所包含的碳水化合物、氨基酸和有机酸不仅可直接增加进入土壤的有机质，还可增加土壤微生物活性，促进作物残体碳向SOC的转化［42］。根的向肥性导致施肥的具体方式影响作物地下生物量与空间分布，改变不同土层间SOC输入量及累积量的分布。无机氮等化肥的施用可改善秸秆还田后土壤中的C/N比值，这可避免微生物会优先利用SOM来满足自身对氮的需求。基于共代谢理论，随着氮投入的增加，土壤微生物中纤维素降解等能够促进秸秆分解的基因表达迅速增加，有利于团聚体形成与SOC的累积。施用化肥所导致的土壤养分不均衡也可抑制黑土区土壤微生物量及酶活性并影响碳矿化过程［43］。但必须考虑的是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%，是农业生产中主要的间接碳排放源［42］。黑土的高初始肥力也可导致过度强化土壤微生物的活性而引发黑土SOC的加速流失［44］。

有机肥具有养分全面、肥效长、能改良土壤、维持地力与提高农产品品质等优点［45］，黑土区有机肥与化肥混合施用提高了土壤中可溶性碳与微生物量碳含量，利于土壤有机质的形成。有机肥施用直接增加了土壤外源有机质的投入，而土壤微生物对于复杂有机质分解过程中所获得的能量投入回报更少，导致进入土壤的有机质分解速度更慢。但相对于秸秆等植物源有机质，施用粪肥等动物源有机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稳定性较低的颗粒有机碳［46］。由于有机肥种类繁多，所含成分复杂，在土壤中变化的历程较长，对土壤肥力和土壤环境质量的影响带有很大的不确定性［47］，因此有机肥的具体固碳效果难以估算。

除直接的固碳效应外，与保护性耕作相结合的合理施肥对于土壤条件的改善可有效增加单位面积的作物产量。在产量需求一定的前提下，更高的单产可以保证现有耕地面积满足需求，减少土地利用变化对于天然土壤碳库的扰动，这对于后备耕地资源较少的黑土区具有重要意义。

4 总结与展望

出于对保护黑土地肥力与提升农业土壤碳汇能力的关注，近年来针对黑土固碳效应的相关研究不断涌现并取得了较多的成果，但土壤固碳过程及其机理较为复杂，相关结果中尚有较多不清楚或不一致的内容。针对上述问题，需要更进一步加强黑土固碳过程与释碳机理研究，针对黑土固碳与释碳本质等重大科学问题，急需攻坚克难，应加强以下几个方面的研究：

（1）坚持并完善保护性耕作下黑土区土壤固碳效应的长期研究。已有研究表明，即便是相同的环境或人为因子，其所引导的具体固碳过程仍可在不同时间尺度下存在较大差别。若要准确揭示其长期固碳效应对土壤肥力与气候变化的影响，需要继续进行长期化、标准化的定位试验研究。

（2）对于黑土区玉米带近年来与保护性耕作相结合所逐步应用的新型农业生产技术体系，如施用缓控释肥、水肥一体化、耕层障碍消减等，其对于黑土区的土壤固碳效应仍需进行深入研究。

（3）继续探索具体环境因子对于土壤固碳效应之间的影响及其机理或介导方式，揭示不同固碳机制的适用范围与条件，量化自然或人为所导致的土壤环境变化对土壤固碳能力的影响程度及其變化趋势。

（4）建立完善符合黑土区环境特征并能够考虑更多固碳机制的土壤固碳效应模型，更为准确地预测较大时间与空间尺度下黑土区土壤固碳能力与土壤有机质恢复程度。

（5）量化保护性耕作后土壤固碳能力变化本身对农业生产的影响，研究并建立保护性耕作中黑土固碳机理或过程与农业生产的具体过程及效能之间的具体联系，并服务于黑土区的农业发展。

滕泽宇等 东北黑土区玉米带保护性耕作固碳效应研究进展

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基金项目 中国科学院战略性先导科技专项（XDA28080105）。

作者简介 滕泽宇（1990—），男，河北秦皇岛人，讲师，博士，从事黑土地保护研究。*通信作者，教授，从事土壤生态与新型肥料研究。

收稿日期 2022-03-21