长期耕作与轮作对安大略西南部土壤碳氮储量的影响研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Long-term tillage and crop rotation effects on soil carbon and nitrogen stocks in southwestern Ontario

本研究针对保护性耕作与作物轮作多样化对土壤碳氮储量的交互影响尚不明确的科学问题，通过24年长期定位试验，系统分析了不同耕作方式与五种轮作模式对0–0.6 m剖面土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)储量的影响。结果表明，免耕系统比传统犁耕显著增加24 Mg C ha?1和4.7 Mg N ha?1的储量，而轮作多样性并非驱动土壤碳氮变化的主要因素。该研究为温带湿润气候区土壤固碳潜力评估提供了重要数据支撑。

　　

土壤作为地球最大的陆地碳库，储存着约1500 Pg的碳资源，其碳氮动态对维持农业生态系统健康具有关键作用。保护性耕作与作物轮作多样化作为提升土壤碳氮储量的重要措施，但其交互效应长期存在争议。尤其在深层土壤（>0.3 m）的碳氮响应机制尚不明确，且短期研究难以捕捉管理措施对土壤碳氮库的缓慢影响。为此，加拿大圭尔夫大学研究团队在安大略省里奇顿开展了长达24年的田间试验，成果发表于《Canadian Journal of Soil Science》。

本研究基于1995年建立的长期定位试验，采用裂区设计研究两种耕作方式（免耕与传统犁耕）与五种轮作模式（连续玉米CC、连续大豆SS、玉米-大豆轮作CS、玉米-大豆-小麦轮作CSW、大豆-小麦轮作SW）的交互效应。2019年秋季使用Giddings土壤钻采集0–0.6 m剖面样品，按0.05 m（0–0.2 m）和0.10 m（0.2–0.6 m）分层。通过酸处理去除无机碳后，利用LECO CN分析仪测定SOC和TN浓度，结合容重数据采用立方样条模型计算等效土壤质量基准的碳氮储量。

3.1 耕作制度与轮作对土壤碳浓度及储量的影响

轮作与耕作方式在所有土层均未对SOC浓度产生交互作用（P ≥ 0.05）。表层0–0.2 m内SW轮作表现出最高SOC浓度，而免耕仅在0–0.05 m深度比传统耕作高6.9 mg g^?1。在0.4–0.6 m深度，SS轮作下传统耕作的SOC储量显著高于免耕（差值48.9 Mg C ha^?1），导致该层出现显著交互作用（P = 0.003）。整体0–0.6 m剖面中，免耕系统SOC储量比传统耕作高24 Mg C ha^?1，且各轮作间无显著差异。CC轮作在免耕条件下呈现最高SOC储量（237 Mg C ha^?1），但冬季小麦的引入未显著提升碳储量。

3.2 耕作制度与轮作对土壤全氮浓度及储量的影响

与SOC类似，TN浓度在表层0–0.2 m受轮作影响显著，而耕作效应仅限于0–0.2 m深度。在0–0.2 m土层，CC和SS轮作下免耕的TN储量显著高于传统耕作（免耕：CC 12.1 Mg N ha^?1，SS 12.0 Mg N ha^?1；传统耕作：CC 9.22 Mg N ha^?1，SS 6.82 Mg N ha^?1），产生显著交互作用（P = 0.003）。剖面尺度（0–0.6 m）上，免耕系统TN储量（22.4 Mg N ha^?1）显著高于传统耕作（17.7 Mg N ha^?1）。在0.4–0.6 m深度，CC轮作下免耕的TN储量最高（6.30 Mg N ha^?1），而SS轮作在传统耕作中储量最低。

研究结论表明，免耕是提升黏壤土土壤碳氮储量的关键措施，而轮作多样性并非主要驱动因素。作物残体的碳氮输入差异可能被土壤饱和效应抵消，或通过活性碳库（如微生物量碳）快速周转而未体现在稳定SOC库中。未来需重点解析功能多样性（作物种类）而非轮作数量对碳氮固存的影响，并探究颗粒态与矿物结合态有机碳的分配机制，为制定长期固碳策略提供理论依据。该研究强调了全剖面采样对准确评估管理措施生态效应的重要性，为温带农业系统可持续管理提供了科学依据。