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定量研究农田土壤CO2排放及土壤有机碳(Soilorganiccarbon,SOC)有助于评估农田土壤作为大气CO2的“源”或“汇”功能,进而更加精确地评价农田土壤对全球气候变暖的影响。而实行何种保护性耕作更有利于增加SOC、降低土壤CO2排放,此类研究还鲜见报道。基于以上研究背景,本论文以中科院东北地理与农业生态研究所中层黑土上进行的保护性耕作长期定位试验和加拿大安大略省西南部Woodslee地区建立的不同耕作方式定位试验(相似土壤和作物类型)为研究平台,探讨不同耕作方式下SOC的存储和分布,探寻最适合这些地区的耕作方式;通过连续48小时对土壤CO2排放通量的监测,寻找一天中土壤CO2释放速率的最佳测量时间,在此基础上研究不同耕作方式对土壤CO2排放的影响,评估何种耕作方式可以增加SOC的固定。本论文主要得出以下几条结论:
晴天09:00-11:00h测得的土壤CO2释放速率可以代表中国东北黑土CO2释放速率日均值。当测量没有在该时间段内进行时,可以使用时间模型把在07:00-21:00h测得的土壤CO2释放速率校准到土壤CO2释放速率日均值。
在确定了最佳测量时间的基础上,我们测定了2008-2010年东北黑土区的土壤CO2释放速率。结果显示不同耕作方式间土壤CO2释放速率并没有显著性差异。不同耕作方式下冬季、非生长季和全年土壤CO2排放通量分别为0.29-0.4.5、0.69-0.81和5.32-6.40MgCha-1。两种作物轮作下,免耕(Notillage,NT)全年土壤CO2排放通量显著高于秋翻(Mouldboardplouglltillag,MP)。冬季土壤呼吸对全年土壤CO2排放通量的贡献率介于5.1%到7.1%,说明该地区冬季土壤呼吸在全年土壤碳预算中占据着非常重要的地位。全年土壤CO2排放通量与5-10cm和10-20cm深度SOC存在显著负相关关系,这表明土壤CO2排放对这两个土层SOC含量影响最大。
与MP相比,NT造成了SOC较明显的分层现象,表现在表层土壤(0-5cm)SOC含量显著提高,而表下层(10-30cm)SOC含量较低。在表层土壤,带耕(Zonetillage,ZT)对SOC的影响与NT相似,而在表下层土壤则与MP相似。zT下等质量SOC储量分别比NT和MP增加了11.2%和12.5%。基于不同耕作方式对SOC及其它土壤物理性质的影响,我们得出:在该湿冷气候潮软土上,与NT和MP相比,ZT具有增加SOC储量和改善某些土壤性状的潜力。
与NT和MP相比,RT处理造成了显著不同的土壤环境,进而影响到了土壤性质。研究小区建立29年后,RT提高了安省西南部Brookston潮软土的质量,表现在比NT减小了土壤硬度和容重,比MP显著增加了0-30cmSOC储量(P＜0.05),这些结果意味着在该Brookston潮软土上,RT可能是比NT和MP更合适的长期耕作方式。