气候变化背景下免耕系统对土壤结构和功能的长期影响：一项探索性建模研究

《European Journal of Soil Science》：Long-Term Effects of No-Till Systems on Soil Structure and Function Under Climate Change: An Exploratory Modelling Study

免耕系统通过改善土壤结构和增强有机质保护机制，在应对气候变化中表现出维持土壤健康和调节水循环的潜力。基于瑞士FAST长期试验数据，USSF模型模拟显示：与传统耕作相比，免耕系统在暖化气候下能有效减缓土壤有机质（SOM）的流失（减少3%-15%），同时减少地表径流和土壤蒸发。尽管气候变暖导致蒸发加剧，但免耕的覆盖层仍能维持水分平衡，使小麦产量与耕作方式差异不大。研究指出，免耕通过物理保护（如团聚体）和温度调节（地表覆盖）延缓有机质分解，长期可能提升SOM储量。气候变暖和耕作方式对土壤水文及作物生长的综合影响需进一步验证。

　　
该研究聚焦于无耕作（no-till）农业系统在应对气候变化中的长期潜力，通过开发并应用USSF（Uppsala模型）这一新型土壤-作物模型，系统评估了瑞士扎尔苏伊士长期田间试验（FAST）中无耕作与传统耕作在土壤结构、有机质积累及水分平衡方面的差异。研究结合历史气候数据与未来情景模拟，揭示了不同管理方式对土壤健康和作物生产的动态影响，为可持续农业实践提供了理论支持。

### 研究背景与核心问题
欧洲农业正面临气候变化的双重挑战：极端天气事件频率增加，以及传统耕作方式难以维持土壤健康。尽管无耕作因减少土壤扰动、增强团聚体形成等机制被认为能提升土壤韧性，但现有实验多因周期过短（通常不足十年）难以验证其长期效果。此外，多数土壤模型未动态模拟孔隙结构变化与有机质转化的耦合机制，导致预测偏差。该研究旨在通过USSF模型，填补这一知识空白，评估无耕作在温带湿润气候区的长期适用性。

### 方法论创新：USSF模型的应用
USSF模型突破传统静态假设，首次将土壤结构动态（如孔隙演化、生物活动）与水分-有机质耦合过程整合为单一框架。其核心创新体现在：
1. **孔隙结构动态模拟**：将土壤孔隙划分为物理结构孔隙（受耕作影响）和生物结构孔隙（如团聚体、虫道），并建立随时间演化的数学关系。例如，耕作会破坏原有孔隙结构，而微生物活动（如蚯蚓）会促进有机质在微孔隙中的富集。
2. **有机质分阶段保护机制**：有机质分为“年轻”与“成熟”两类，分别存在于中孔隙和微孔隙中。成熟有机质因物理保护更稳定，但传统耕作会将其转移到易分解的中孔隙区域，加速矿化。
3. **水分循环的多尺度耦合**：通过解析土壤表层覆盖物（如秸秆）对蒸发和入渗的影响，模拟不同耕作方式下水分利用效率的年际波动。

### 基准期（1985-2015）关键发现
1. **土壤结构对比**：传统耕作在翻土后短期提升土壤孔隙率，但随时间因压实和生物修复逐渐恢复平衡。无耕作系统通过秸秆覆盖持续维持较高的表层孔隙率，尤其在冬季土壤冻结期，秸秆层可减少水分蒸发达14.3厘米/年。
2. **有机质动态平衡**：传统耕作因机械扰动加速有机质分解，但因其更高的秸秆还田量（约5.5吨/公顷/年），总体有机质流失被部分抵消。无耕作系统初期因秸秆还田量减少导致有机质输入不足，但长期通过物理保护机制（如团聚体形成）实现有机质积累的动态平衡。
3. **水分利用效率**：无耕作系统通过减少地表径流（降幅达68%）和抑制蒸发（降幅达58%），显著提高水分 infiltrate 效率。例如，在湿润的温带气候下，无耕作系统可将年降水中用于植物蒸腾的比例从26.5%提升至26.8%，看似微弱，但长期积累效应显著。

### 未来气候情景（2020-2090）模拟结果
1. **温度与降水变化趋势**：所有情景显示气温上升1.2-8.0℃，而降水总量变化较小（±5%）。关键差异在于夏季降水减少和春季降水增加，导致作物生长季水分分配不均。
2. **有机质积累的“临界窗口”效应**：在气温每升高1℃的情景中，传统耕作系统因加速有机质分解导致库存年均减少3-15%。而无耕作系统通过以下机制维持甚至增加有机质：
- **物理屏障效应**：秸秆覆盖层（厚度约2-5厘米）可减少地表温度波动，抑制有机质分解。模拟显示，在8.5℃/年的升温情景下，表层有机质仍能保持年增0.19吨/公顷。
- **孔隙结构优化**：长期无耕作使中孔隙比例增加，有机质更易被生物保护。例如，在2090年预测中，无耕作系统土壤微孔隙占比提升12%，而传统耕作系统因频繁翻土导致孔隙结构破碎。
3. **作物生产稳定性**：尽管气候变暖导致土壤蒸发增加（无耕作系统减少蒸发达12-15%），但模拟显示冬小麦产量基本稳定（增幅8-9%），主要得益于更高效的土壤水分利用。值得注意的是，在极端高温情景下，秸秆产量下降导致有机质输入减少，但物理保护机制仍能维持库存。

### 模型局限性及改进方向
1. **未考虑的反馈机制**：模型未纳入CO2浓度对光合效率的影响，可能高估未来作物增产潜力。此外，轮作制度（研究采用单一冬小麦）和杂草竞争的影响被忽略，可能低估无耕作的生态效益。
2. **土壤压实问题**：模型未模拟机械压实对深层孔隙的影响，实际中无耕作系统若缺乏轮作或秸秆还田不足，可能导致根系穿透力下降。
3. **气候数据分辨率**：降水情景以日为单位模拟，但极端降水事件（如暴雨）的瞬时影响可能未被充分捕捉。

### 实践启示与政策建议
1. **技术适配性**：在温带湿润地区，无耕作可通过维持表层有机质和改善孔隙结构，抵消升温带来的负面影响。建议结合秸秆还田率（>60%）和深松技术（每5年一次）以增强长期效果。
2. **区域适用性**：研究显示，在年降水量>1000毫米的温带地区，无耕作对有机质积累的增益效应更显著。而在干旱区，需优先保障秸秆覆盖度（>30%）以维持水分平衡。
3. **政策协同**：需配套农业补贴政策（如欧盟“绿色新政”中50%的有机质目标），鼓励农户在气候过渡期（2030-2050）逐步调整耕作方式。

### 结论
该研究表明，无耕作系统在温带湿润气候区可通过物理保护机制和水分循环优化，实现长期有机质积累与作物生产的协同稳定。尽管模型存在简化假设，但其揭示的“保护-输入”动态平衡机制为推广免耕农业提供了理论依据。未来研究需整合多尺度模型（如景观尺度模型）和实时监测数据，以验证不同气候情景下的适应性策略。

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