保护性耕作对东北黑土碳氮平衡的影响：少耕法脱颖而出

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Reduced tillage boosts carbon-nitrogen synergy in black soil: Evidence from stable isotope dynamics

来自中国科学院的研究人员研究东北黑土区耕作方式对土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）的影响，发现少耕法效果最佳。

　　农业实践对土壤有机质（SOM）有着显著影响，其中土壤耕作的影响最为突出。传统的耕作方法，如铧式犁翻耕（完全翻转土壤）仍然被广泛使用。然而，反复高强度使用这些方法会消耗土壤有机碳（SOC）库和养分储备，威胁农业的可持续发展。相比之下，免耕（NT）和少耕（RT）等可持续土壤管理实践越来越受到提倡，以增强土壤有机质和肥力。农民们也越来越多地采用保护性耕作来促进可持续农业系统的发展。保护性耕作主要通过两种机制来提高土壤肥力：增加有机碳储备和改善总氮（TN）保持能力。

有研究指出，在保护性耕作系统下，土壤有机碳和总氮往往会在土壤上层积累。不过，也有研究表明，与传统耕作方法相比，免耕系统下的土壤有机碳或总氮并没有显著增加。这表明，除了减少土壤扰动和秸秆还田之外，可能还有其他因素影响土壤碳氮动态。具体来说，土壤有机质的分解和再分配会改变土壤有机碳的稳定化和氮的保持，进而影响土壤碳氮库。这些结果强调了不同土壤管理策略对农业土壤碳氮动态的复杂影响，凸显了继续深入研究的重要性。

土壤碳氮的固有同位素特征为揭示其循环机制提供了有力的指标。例如，稳定碳同位素可用于阐明秸秆分解、土壤有机质周转及其在土壤剖面中迁移的机制。此外，¹⁵N 的自然丰度在研究不同施肥制度和农艺实践下的土壤氮动态方面也很有用。利用 δ¹³C 和 δ¹⁵N 来追踪碳氮来源，是基于它们与可能的外部贡献相比所具有的独特同位素特征。由于光合途径的差异，C3 植物的 δ¹³C 值（-23‰至 -30‰）明显低于 C4 植物（-9‰至 -17‰）。同样，化学氮肥的 δ¹⁵N 值在 - 3‰至 2‰之间，明显低于堆肥和土壤有机氮（>6‰）。耕作方式的改变不仅会直接影响碳氮输入，还会影响这些元素的同位素特征。因此，应用自然丰度稳定同位素示踪剂（δ¹³C 和 δ¹⁵N），能够有效量化长期耕作方式和作物轮作变化所导致的土壤碳氮循环变化。

中国东北地区拥有广阔优质的土壤，是世界上最大的软土地区之一。由于其丰富的有机碳和优良的土壤特性，这些土壤对维持中国的农业产出和推进环境可持续发展举措至关重要。然而，近几十年来的集约化耕作导致土壤有机质减少，土壤质量整体下降，对中国的农业生产力构成了重大威胁。为应对这些挑战，免耕和少耕等替代土壤管理策略被推荐作为传统耕作（CT）的有效替代方案。早期研究表明，这些方法会影响土壤有机碳、总氮、微生物群落和土壤结构。值得注意的是，与免耕相比，少耕往往能在碳氮积累方面实现更大的提升。尽管碳氮同位素比（¹³C 和¹⁵N）对于阐明土壤有机质周转和养分循环至关重要，但由于准确量化这些同位素特征存在困难，该地区在这方面的相关报道受到了限制。

本研究假设，在三种耕作系统中，土壤剖面内稳定碳氮同位素的分布和分馏会有显著差异。研究的主要目的是：（i）研究 13 年耕作实践对土壤剖面中土壤碳氮浓度以及 δ¹³C 和 δ¹⁵N 值的影响；（ii）评估保护性耕作对土壤有机质周转和养分迁移的影响；（iii）确定哪种耕作方法最有利于保护中国东北黑土。

本研究于 2001 年在中国吉林省长春市的德惠实验站展开，该实验站是中国科学院东北地理与农业生态研究所的一部分，地理位置为北纬 44°12′，东经 125°33′。该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温 4.4°C，年平均降水量 520 毫米，土壤类型为中国分类体系中的黑土。

与基线条件相比，传统耕作和少耕处理显著提高了表层 10 厘米土壤的有机碳和总氮含量，而免耕主要提高了最表层 5 厘米土壤的这些参数。在最表层 5 厘米土壤中，免耕使土壤有机碳增加了 28.50%，少耕增加了 26.80%，而传统耕作仅增加了 11.63%。相反，在 5 - 10 厘米土层中，免耕导致土壤有机碳下降了 5.33%。

本研究表明，不同的耕作方式在 0 - 30 厘米土壤剖面中，会产生独特的垂直分布模式，并对土壤有机碳和总氮水平有不同程度的提升。与基线条件相比，传统耕作和少耕都显著提高了表层 10 厘米土壤的有机碳和总氮水平，这与之前的研究结果一致，即这些提升与耕作土壤中更有效的作物残茬还田和改善的通气性有关。

研究结果显示，13 年的保护性耕作改变了中国东北黑土中土壤有机碳和总氮的分布。少耕是增强土壤固碳和保氮能力的最有效耕作方式。免耕在表层土壤有机碳和总氮积累方面表现出色，但会导致明显的分层现象。而传统耕作由于会消耗深层土壤碳，可持续性有限。少耕这种平衡的方法，既能丰富表层土壤的 δ¹³C，减少氮损失，又能改善土壤质量，为保护东北黑土提供了一种可持续的策略。