陸地生態(tài)系統中土壤有機碳庫儲量約為大氣碳庫儲量的2倍，其變化對二氧化碳濃度影響巨大。與草地、森林等自然生態(tài)系統相比，農田生態(tài)系統受人類(lèi)活動(dòng)的影響更為劇烈，頻繁地耕作伴隨秸稈移除會(huì )導致土壤有機碳儲量迅速衰減。土壤有機碳儲量的下降導致土壤肥力退化以及土地生產(chǎn)力的下降，嚴重威脅著(zhù)國家的糧食安全。東北黑土區作為我國主要的糧食生產(chǎn)基地的重要原因在于黑土是一種自然肥力高、富含有機質(zhì)且適于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力與物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。然而，近百年來(lái)的大規模耕墾加之管理不善，以傳統耕作（秸稈焚燒+秋翻）為主的耕作措施導致了土壤有機碳的急劇下降，迫使我們需要改進(jìn)耕作措施來(lái)阻止土壤有機碳的繼續流失。因此，我們提出了利用保護性耕作來(lái)增加土壤有機碳含量進(jìn)而提升土壤生產(chǎn)力，然而保護性耕作的作用在國際學(xué)術(shù)界存在著(zhù)廣泛的爭議，需要通過(guò)長(cháng)期觀(guān)測來(lái)明確其對土壤有機碳的影響及機制。

　　東北地理所黑土有機碳與保護性耕作學(xué)科組以保護性耕作長(cháng)期定位試驗地（始于2001年）為研究平臺，開(kāi)展了系列保護性耕作對土壤有機碳動(dòng)態(tài)變化影響的研究，揭示了有機碳不同組分對不同耕作措施的響應機制。通過(guò)定位連續監測，我們發(fā)現保護性耕作連續實(shí)施5年后，表層5cm土壤有機質(zhì)含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%，有機質(zhì)含量從28.28g/kg提升至43.02g/kg。保護性耕作下有機碳儲量增加速率最高可達到0.80 Mg C ha-1 yr-1，作物碳進(jìn)入土壤比例為16%左右，而傳統性耕作則以0.52 Mg C ha-1 yr-1的速率繼續減少有機碳儲量（表1）。該部分研究成果被2020年農業(yè)農村部與財政部聯(lián)合印發(fā)的《東北黑土地保護性耕作行動(dòng)計劃（2020—2025年）》采用，為保護性耕作在東北地區大面積推廣應用提供了數據支撐。同時(shí)，我們利用物理及化學(xué)分組方法明晰了保護性耕作對不同碳庫分布的影響：從團聚體角度出發(fā)，證明了保護性耕作對土壤有機碳長(cháng)期固存的積極作用，從密度粒徑的角度得出保護性耕作不僅增加了輕組有機碳組分，對粘粉粒結合碳的提升也有顯著(zhù)作用（圖1）；化學(xué)組分結果顯示，保護性耕作不僅增加了有利于微生物、植物吸收利用的活性碳庫，同時(shí)也增加了有利于長(cháng)期固碳的惰性碳庫，全面揭示了不同有機碳組分對保護性耕作的響應情況，為深入研究其固定機制奠定了基礎。

　　表1. 不同耕作措施下土壤有機碳儲量（0-30 cm）及其變化速率、產(chǎn)量和碳投入

　　注：Initial：2001年；NTMS：免耕+玉米大豆輪作；MPMS：秋翻+玉米大豆輪作；NTMM：免耕+玉米連作；MPMM：秋翻+玉米連作；CTMM：傳統性耕作；Ca：年均碳投入（Mg C ha-1 yr-1）；SOC：土壤有機碳；Rc：SOC 儲量變化速率（Mg C ha-1 yr-1）；Cr：作物碳殘留率。同一行相同小寫(xiě)字母表示無(wú)顯著(zhù)差異（P > 0.05）。

　　圖1. 與傳統性耕作相比不同耕作措施土壤有機碳儲量在各粒徑中分配情況

　　注：NTMS：免耕+玉米大豆輪作；MPMS：秋翻+玉米大豆輪作；NTMM：免耕+玉米連作；MPMM：秋翻+玉米連作；SOC：土壤有機碳；LF：輕組物質(zhì)；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：粘粒；平均值±標準誤，n=4；不同耕作措施下相同小寫(xiě)字母表示無(wú)顯著(zhù)性差異（P > 0.05）。

　　相關(guān)研究結果先后發(fā)表在國際土壤科學(xué)領(lǐng)域主流學(xué)術(shù)期刊Geoderma，Soil&Tillage Research和European Journal of Soil Science上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)計劃項目（拔尖青年科學(xué)家）、中國科學(xué)院創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )人才項目等項目的聯(lián)合資助。

　　論文信息:

　　1. Yan Zhang, Xiujun Li, Edward Gregorich, Neil McLaughlin, Xiaoping Zhang, Yafei Guo, Aizhen Liang*, Ruqin Fan, Bingjie Sun. No-tillage with continuous maize cropping enhances soil aggregation and organic carbon storage in Northeast China. Geoderma, 2018, 330, 204-211.

　　https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.05.037

　　2. Yan Zhang, Xiujun Li, Edward Gregorich, Neil McLaughlin, Xiaoping Zhang, Yafei Guo, Aizhen Liang*. Evaluating storage and pool size of soil organic carbon in degraded soils: tillage effects when crop residue is returned; Soil & Tillage Research, 2019, 192, 215-221.

　　https://doi.org/10.1016/j.still.2019.05.013

　　3. Yan Zhang, Xiujun Li, Edward Gregorich, Neil McLaughlin, Xiaoping Zhang, Yafei Guo, Yan Gao, Aizhen Liang*. Tillage and cropping effects on soil organic carbon: biodegradation and storage in density and size fractions; European Journal of Soil Science, 2020, 1-12.

　　https://doi.org/10.1111/ejss.12949