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土壤是陆地上最大的碳库,土壤碳库的微小波动都会引起大气CO2浓度的剧烈变化,以致显著影响全球气候。自然生态系统被开垦后,在传统农业管理方式下,土壤碳大量丢失,成为主要的大气碳源之一。为了增加农田土壤碳储量,缓和气候变化,保护性农业管理措施被广泛推荐。澳大利亚农田生态系统的管理方式在过去的几十年发生了明显变化,其中最主要的是保护性农业管理措施的广泛应用。虽然一般认为采用保护性农业管理能增加农田土壤碳储量,但这并非定论。基于澳大利亚发表的数据,本文分析了保护性管理措施取代传统管理措施后,不同气候背景和土壤条件下土壤碳的动态变化规律。结果表明:自然植被开垦后,土壤表层10 cm的土壤碳含量持续减少40多年,最后,平均减少约51％。采用保护性管理措施一般能增加土壤碳含量。但是,在不同的气候背景和土壤条件下,相同的保护性管理措施对土壤碳变化有截然不同的影响。和其它保护性管理措施相比,引进多年生植物使土壤碳含量半均增加了18％,表现出最大的固碳潜力。分析土壤碳变化与实施保护性管理措施的时间长短的关系发现:土壤碳变化与实施保护性管理措施的时间长短没有明显的关系,这说明了长期实验的必要性。澳大利亚的绝大部分数据局限于10 cm至30 cm的表层土壤,为了评估作物根系生长和管理措施(如翻耕或免耕)对整个土壤剖面总碳的影响,在未来的研究中增加土壤取样深度势在必行。
免耕被认为是主要的能增加农田土壤碳储量的措施之一。但是,现有的研究结果不尽相同,有的显著增加,有的显著减少。产生这种差异可能有两个原因：不是严格的对照实验,即免耕和传统耕作处理的环境和管理措施小同；取样误差和分析方法不同。基于69个成对比较试验的结果,本文采用Meta分析方法,系统分析了在传统翻耕和免耕情况下,土壤碳在土壤剖面(>40 cm)的分布和变化规律及其调控因子。结果表明：自然土转为农田土超过5年后,无论是免耕,还是传统耕作,平均土壤碳丢失都超过20 f ha-1,且免耕地和传统翻耕地之间无显著差别。在一年一季的作物系统中,传统翻耕转为免耕只是显著改变了土壤碳在土壤剖面的垂直分布,并没有显著改变总的土壤碳含量。实施免耕后,土壤农层10 Cm的土壤碳含量平均显著增加了3.15±2.42ha-1,而20-40 cm土层中的碳含量则显著减少了3.30±1.61,ha-1。因此,总体而言,免耕在0-40 cm的土壤剖面并没有增加总的土壤碳含景。随着轮作作物多样性的增加,免耕使土壤表层的碳积累减少,使较深土层的碳丢失增多。与之相反,随着种植频率的增加,土壤表层的土壤碳积累增加,而较深土层的碳丢失减少。在一年两季或多季的作物系统中实施免耕,总的0-60 cm土层的碳含量显著增加了11％。无论是年均降雨量、年均温度,还是施肥量和试验时长都不影响免耕对土壤碳动态的影响。本文的研究结果强调了种植制度对实施免耕后土壤碳动态的重要性,增加利,植频率可能是一条增加土壤碳含量的更有效的途径。为了加深我们对农田土壤固碳潜力的理解和预测,种植制度对土壤碳动态的影响的研究需要进一步加强。
农田系统中的长期土壤碳动态受气候、土壤和农业管理措施的交互影响。系统模型模拟的方法整合系统中的各个过程,为理解这种交互作用提供了一条有效的途径。基于澳大利亚东部小麦带四个半干旱区实验站点的实验数据,运用农业生产系统模拟器APSIM,本文首先检验了在各种农业管理措施下APSIM模拟土壤碳长期变化的效果；然后,根据情景分析,分析了四个站点上农田土壤的固碳潜力及其控制因子。模拟结果显示:存四个站点上(Brigalow,Warra,Wagga Wagga和Tarlee),APSIM都能较好的模拟作物地上生物量生产和土壤碳动态。情景分析的结果表明:施肥结合秸杆还田能扭转或显著降低农田土壤碳丢失。最佳施肥结合100％秸杆还田使Warra,WaggaWagga和Tarlee的土壤碳含量分别增加了13％,46％和45％。苜蓿轮作是最有效的增加土壤碳含量的措施,使上述三个站点上土壤碳含量的增加分别达到49％,57％和50％。而在Brigalow,由于相关实验开始于自然林的砍伐,所模拟的所有农业管理措施都不能使其土壤碳增加。秸杆还田量的多少能很好的预测土壤碳变化。而另一方面,土壤氮素可利用性控制作物生物量生产,进而影响土壤碳的输入。在较高的土壤氮素水半下,作物生物量表现出更大的不确定性,这主要是由于在肥料充足的情况下,受降雨控制的土壤水分的相对亏缺和波动。在四个站点上,土壤水分,土壤可利用氮素及其交互作用显著的影响土壤碳变化。在温度较高的地区,土壤碳丢失也较多。本文的模拟结果表明:农业管理措施、土地利用历史和本地气候条件的详细信息是精确评估在不同时空尺度和农业生态系统中土壤碳变化的基础。由于在不同环境条件和管理措施下的土壤碳动态的复杂性,以田间实验数据为基础的系统模型模拟的方法将为评估气候、土壤和管理措的交互作用和多时空尺度的农田土壤碳动态提供一条行之有效的途径。