46年保护性耕作与轮作对土壤碳氮分布及储量的影响机制研究

针对传统耕作导致土壤有机碳(SOC)和总氮(TN)持续流失的问题，美国普渡大学团队通过46年长期定位试验，比较免耕(NT)、凿式犁(CP)和铧式犁(MBP)三种耕作强度及玉米-大豆轮作体系对1米土层SOC/TN储量的影响。研究发现NT系统比耕作系统多储存15 Mg ha?1 SOC和2.0 Mg ha?1 TN，证实免耕是恢复中西部莫利松土碳氮库的关键措施，为农业碳中和提供重要依据。

　　

在全球气候变暖加剧的背景下，土壤作为地球上最大的碳库，其有机碳(SOC)的稳定储存对缓解气候变化至关重要。然而令人担忧的是，自集约化农业开展以来，美国中西部玉米带已损失40-60%的原始SOC，其中传统耕作导致的土壤扰动被认为是主要诱因。更严峻的是，气温升高会加速微生物对土壤有机质(SOM)的分解，形成"温度-SOC流失"的恶性循环。面对这一挑战，保护性耕作和合理轮作被视为恢复土壤健康的关键措施，但长期效果及深层土壤的响应机制仍存在争议。

为解决这一科学问题，普渡大学Shalamar Armstrong团队在《Soil and Tillage Research》发表了历时46年的经典研究。该团队以印第安纳州的莫利松土为研究对象，设置免耕(NT)、凿式犁(CP)和铧式犁(MBP)三种耕作强度，结合玉米连作(CC)、玉米-大豆轮作(CB)和大豆连作(BB)三种种植模式，系统分析了1米土层内SOC和总氮(TN)的分布规律。研究采用深度分层采样法，通过等效土壤质量校正和ANOVA统计分析，揭示了耕作强度对碳氮垂直分布的深远影响。

主要技术方法
研究依托普渡大学农业研究中心1975年建立的长期定位试验站，在Chalmers粉砂粘壤土上采集0-100 cm分层土样。采用干燃烧法测定SOC，凯氏定氮法测定TN，通过等效土壤质量法校正容重差异，使用混合效应模型分析耕作和轮作的主效应及互作。

Main effects of tillage intensity
耕作强度对SOC和TN储存具有决定性影响。NT系统在0-5 cm表土层储存的SOC比CP和MBP分别高出60%和43%，TN储量也呈现相似规律。值得注意的是，当评估整个1米剖面时，NT系统比耕作系统平均多储存15 Mg ha^?1
SOC和2.0 Mg ha^?1
TN，这一发现颠覆了传统认为NT仅影响表土层的认知。CP与MBP系统的碳氮储量无显著差异，表明适度减少耕作强度并不能带来额外的碳汇效益。

Conclusions
46年的长期观测证实，NT是提升土壤碳氮储量的最有效方式，其优势在深层土壤(75 cm以下)依然显著。虽然玉米连作(CC)系统因更高的生物量输入带来较多TN积累，但作物轮作对SOC储存的影响有限。研究特别强调，仅采样30 cm浅层土壤会严重低估管理措施的真实影响，建议未来研究采用全剖面采样策略。

该研究的创新价值在于首次通过近半个世纪的观测，量化了不同耕作系统对深层土壤碳氮库的重塑作用。研究结果为全球农业土壤固碳提供了三方面启示：首先，NT应作为中西部玉米带土壤管理的首选措施；其次，碳汇评估必须考虑深层土壤的贡献；最后，单纯调整轮作模式难以弥补耕作造成的碳损失。这些发现对制定基于自然的碳中和解决方案具有重要指导意义。