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摘要：农田土壤有机碳库作为陆地生态系统中受人类影响最大的碳库，其恢复对于增强土壤质量，保障粮食安全，涵养水源，减少大气C02排放具有重要意义。保护性耕作对减少水土流失，增加土壤有机碳、，增加农作物产量等方面有显著效果。笔者综述了保护性耕作对农田土壤有机碳及土壤理化性质的影响，探讨了保护性耕作对农业生产力的影响，对保护性耕作存在的问题提出了改进建议，为合理制订耕作措施和农业生产管理措施提供了科学依据。
关键词：保护性耕作；农田；土壤有机碳；农业生产力
中图分类号：K903，S158.5
文献标志码：A
论文编号：ciasl5080006
0引言
土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的碳库，作为影响大气C02浓度增减的重要的源和汇，土壤碳循环成为影响陆地碳循环，乃至全球碳循环中的重要因素农田土壤有机碳库占到土壤碳库的8%-10%，是受人类活动干扰最强的碳库，自工业革命以来土地利用和土壤耕作已导致（136+55）Pg的有机碳损失，大部分被排放至大气中，成为大气C02重要的源。诸多研究表明，合理的农业管理措施可以提高农田土壤有机碳库储量，使之转变为碳汇，而农田土壤有机碳库的恢复对于增强土壤质量，保障粮食安全，涵养水源，减少大气Co2含量均具有重要意义。
保护性耕作起源于美国，自20世纪30年代提出至今已有80余年的历史。保护性耕作相对于传统翻耕作业强调采用免耕和少耕来减少对农田表层土壤的扰动，作物秸秆进行还田覆盖以抵御风蚀、水蚀，提高土壤抗旱保湿的能力，从而提高土壤肥力和固碳能力。其中，免耕就是彻底取消犁耕翻，不翻动表土并保留一定的作物残茬覆盖。少耕，就是尽量缩小耕耘面积和减少耕耘次数，一般不采用犁耕，仅为保证土壤疏松和播种、除草而保留轻微土壤作业。已有的诸多试验和文献资料大多表明，保护性耕可有效促进农田土壤有机碳的积累，对提高土壤肥力和农业生产力具有重要影响。笔者通过分析国内外保护性耕作的发展状况，探讨了保护性耕作对土壤有机碳及作物产量影响的不确定性和复杂性，对保护性耕作存在的问题提出改进建议，为合理制订耕作措施和农业生产管理措施，减少环境负面效应，提供了理论指导和现实依据。
1.农田土壤有机碳对农业生产及固碳的意义
研究表明全球土壤碳库约为2500 Gt，其中土壤有机碳库（SOC）约为1550 Gt。由于土壤无机碳库（SIC）的更新周期超过1000年以上，短期内减缓气候变化的主要途径是促进土壤有机碳库（SOC）的稳定同。加之土壤有机碳库是大气碳库的2倍，陆地生物碳库的2-4倍，土壤碳库的微小变化可以导致大气C02浓度的显著变化-z-。土壤有机碳含量的变化主要取决于植物光和作用和有机质分解作用获取碳，由于土壤呼吸作用和有机质的淋溶、破碎损失碳。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，受人为扰动后直接表现为农田生态系统的碳汇和碳源效应，农田土壤有机碳含量是植物残体量以及其在土壤微生物作用下分解损失量二者之间平衡的结果。全球农业减排的自然总潜力每年高达7.3 Gt，其中93%来自减少土壤C02排放，故而农田生态系统具有相当可观的固碳潜力，使农田生态系统成为最具固碳潜力的陆地生态系统。
农田生态系统土壤碳库的变化集中变现为农田土壤有机碳含量的变化，与自然土壤相比，农田土壤极易受到人为因素的影响而引起土壤理化性质的改变，从而改变土壤固碳环境以及相关的一系列土壤过程。尤其是农田表层（0-20 cm）土壤有机碳直接与陆地生态系统碳循环动态混合，最直接反应是环境变化导致的土壤有机碳含量变化，受人为因素的剧烈扰动，含量存在着很大差异，直接影响土壤质量和作物产量的高低。这些人为因素对农田土壤有机碳含量的影响强度及速率远远超过一般的自然因素。合理的农业管理措施，例如秸秆还田和有机肥配施、少免耕技术的推广、化肥投入的增加都可以增加农田土壤有机碳含量，而不合理的农业管理措施，例如土地投入降低、秸秆移除、土地频繁翻耕都会导致农田土壤有机碳含量的降低。农田表层土壤有机碳含量对保持土壤肥力，改善气候环境均具有重大的意义。加之人类所面临的粮食安全问题，寻求经济增长和节能减排的平衡，如何实现农业发展的碳汇效益，缓解全球温室效应，使得农田土壤有机碳的研究成为了热点。
2.保护性耕作的概念及方法和作用
2.1保护性耕作的概念
保护性耕作起源于美国针对20世纪30、40年代黑风暴事件的一种保护性农业措施，这次自然灾害导致了美国历史上罕见的10年大旱灾，致使近4050 hm2的农田表土丧失殆尽，1.4万hm2的农田遭到毁坏。此次事件后，美国科学家开始深入研究农业耕作对生态系统带来的影响，倡导以免耕法为主的保护性耕作制度，保护性耕作随着生态环境保护需求得以迅速发展。
保护性耕作的定义随着农业耕作的发展不断变化，至今国际上还没有统一定义。Mannering和Fenster将保护性耕作定义为“在某种种植制度下，能维持最少30%土壤覆盖，并减少水土流失，提高耕地产量的一种耕作方式。国际保护性耕作信息中心（cTIC）将保护性耕作定义为“维持最少30%作物残留覆盖或维持1000 kgmnl2的作物残留覆盖土壤，以减少降水和风沙侵蚀为主要目的的耕作方式。Lal认为保护性耕作主要是通过保留作物残留来提高土壤质量，减少水土流失的一种耕作方式。中国农业部将保护性耕作定义为：在能够保证种子发芽的前提下，通过少耕、免耕、化学除草技术措施的应用，尽可能保持作物残茬覆盖地表，减少土壤水蚀、风蚀，实现农业可持续发展的一项农业耕作技术。普遍来说保护性耕作是采取一系列综合措施用以减少水土流失，增加土壤有机碳、提高作物产量的耕作方式。
2.2保护性耕作的方法和本质
Unzer和McCalla、Cannell、Lal、Blevins和Fryep51分别对保护性耕作方法和本质进行了阐述。目前，比较广泛接受的分类为CTIC依据作物残余管理系统将耕作方式进行分类。具体有免耕、垄作、幂作、少耕、常规耕作，前4种属于保护性耕作的范畴，同时用作物残茬覆盖地表以抵御风蚀、水蚀，提高土壤抗旱保湿的能力，从而提高土壤肥力和固碳能力。 保护性耕作的核心内容包含4个方面：一是摒弃传统耕作方式，实行免耕或少耕，尽量减少对农田土壤表层的扰动；二是用作物残茬覆盖地表，在免耕或少耕的基础上，秸秆加工还田可以起到固土和培肥的效果，有效减少风蚀、水蚀和水分蒸发带来的土壤质量下降；三是采用免耕播种，省去耕地作业，减少机械扰动，增强土壤蓄水保墒能力，有效降低作业成本；四是改人工作业控制杂草为机械表土作业或完全利用除草剂控制杂草。
保护性耕作的本质是改变传统的精耕细作对土壤的过度加工，尽量减少对土壤的扰动，改善土壤结构，减少风蚀、水蚀和养分流失，达到保土保水、增加土壤肥力和保护土壤性状的目的，创造良好的生态环境，同时减少劳动力、机械设备和能源的投入，提高劳动生产率，达到节本、增收的目的，从而实现农业节本增效和生态环境的双重有效保护，从根本上解决土地资源的保护和利用之间的矛盾、农业生产和生态环境保护之间的矛盾，实现农业生产与环境保护的双赢。
3.保护性耕作措施对土壤的水分条件、温度条件、肥力条件以及土壤的理化性质都会产生影响。加之由于作物系统的不同、轮作方式的不同，都会间接对农田土壤有机碳含量产生影响。同时，秸秆还田和有机肥的施用是最直接提高农田土壤有机碳含量的途径。
3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响
不同耕作方式对土壤温度、水分、容重和孔隙度、团聚体结构等土壤物理特性的效应存在差异。保护性耕作对土壤温度的影响主要来自秸秆覆盖、土壤结构、土壤水分条件的变化。周兴祥等的研究表明秸秆覆盖对光辐射吸收及热传导具有显著影响。周凌云等研究发现覆盖秸秆的麦田冬季可提高耕层土壤（0～15cm）温度0.5～2.5℃。袁家富研究发现麦田覆盖稻草对土壤调温有显著作用，这种作用随覆盖量和土壤深度的增加而增加。陈素英等研究认为秸秆覆盖可有效提高土壤表层0～20 cm地温，在冬季秸秆覆盖比不覆盖可高0.2～1.1℃。
由于作物秸秆与残茬覆盖地表，可有效减少土壤水分蒸发，达到土壤蓄水保墒的作用。丁昆仑等的研究表明秸秆覆盖可有效保持表层土壤结构，使耕层土壤含水量提高2%～11%，这种效果在干旱年份尤为显著。张海林等的研究表明免耕比传统耕作可增加土壤蓄水量10%，提高水分利用率10%，减少水分蒸发约40%。刘跃平等的研究表明秸秆覆盖较常规耕作方式地表径流量减少57%，蒸发量降低32%，降水利用率提高43%。黄高宝等研究发现免耕秸秆覆盖能够显著改善0～200cm土层土壤贮水量及含水量，随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强。王改玲等，人不同年限免耕覆盖的小麦生产区进行研究发现，保护性耕作能增加土壤孔隙度，从而降低土壤容重，有利于土壤持水。
保护性耕作使土壤容重降低、孔隙度增加、且随着保护年限的增加，土壤容重呈降低趋势。严洁等研究发现连续施行保护性耕作可以改变土壤内部团聚体结构，改善土壤的持水性和通气性，利于养分的贮藏和释放。武际等，对连续4年的稻麦轮作制试验结果表明，免耕提高了耕层土壤体积质量，降低了土壤含水率，促进了土壤有机质和全氮在表层土壤的富集。王岩等在华北高寒区的试验证明不同耕作方式对农田耕层土壤容重具有明显的影响，翻耕和松耕可以显著降低耕层土壤容重。巩文峰等等在对黄土高原旱地表层土壤理化性质变化研究表明示，保护性耕作在维持表层土壤含水量、降低土壤容重和提高土壤孔隙度、促进土壤团聚体形成和提高有机碳利用率方面具有良好的效果。张仁陟等认为免耕秸秆覆盖措施有助于形成良好的土壤结构、减少土壤侵蚀、改善土壤持水特性、提高土壤养分利用效率、改善土壤微生物活性、增强作物光合效能、从而增加作物产量，对改善区域土壤质量、促进农业可持续发展有重要意义。3-2保护性耕作对土壤化学性质的影响
保护性耕作能增加土壤中氮、磷、钾、有机质含量，增加土壤阳离子交换量，降低土壤的pH，影响土壤酶活性以及土壤微生物的种类和数量[56-591。已有研究表明，土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾等含量随着免耕和秸秆覆盖年限的增加而增加。张水清等研究认为免耕、浅耕较旋耕、深耕可以一定程度上提高苗期和灌浆期土壤含水率，以及土壤碱解氮和有效磷，并显著提高作物不同生育时期的土壤微生物生物量碳氮。刘禹池研究认为保护性耕作以及保护性耕作条件下增施化肥对耕层土壤养分全量和速效量以及有机质含量都有提升作用，尤其是0～5cm的提升更为显著，保护性耕作条件下增加化肥的施用量提高了土壤养含量和有机质含量。慕平的研究显示相对于翻耕稻秆覆盖，免耕无覆盖与保护性耕作耕层0～30cm速效氮和速效磷均有所增加，但速效磷以保护性耕作增长幅度最大，而速效氮却以保护性耕作增长幅度最小。戴志刚等研究认为秸秆还田能够有效提高土壤有机质、速效钾含量，但是对土壤全磷、速效磷影响较小，并得出秸秆还田是影响土壤理化性质的主要因素，不同耕作模式之间差异不显著。严洁等研究认为进行免耕稻秆覆盖处理的土壤养分除碱解氮外，有机质、全氮、全钾、全磷及速效磷、速效钾均高于免耕无稻秆覆盖和常规耕作的土壤。徐国伟等研究认为秸秆还田能够增强土壤酶活性，降低土壤中Na+、Mg2及ca含量，提高土壤肥力。兰宇等研究除了发现秸秆还田和施加有机肥可增加土壤酶活性外，还发现土壤脲酶与转氨酶与土壤中氮、磷、钾与有机质含量，含水量呈正相关关系，与土壤容重呈负相关关系。朱新玉等的研究表明长期施加有机肥有利于提高土壤动物群落的丰富度和多样性，并认为施肥方式对土壤中动物类群密度的影响差异性显著。向新华的研究表明保护性耕作能明显提高土壤细菌和真菌的数量，但对其比率无明显影响，尤其利于镰孢菌和腐霉菌在土壤中累积。3-3保护性耕作对土壤有机质及土壤有机碳的影响
耕作是引起农田土壤有机质含量下降的主要原因，耕作的机械作用使土壤破碎、分散和混合，直接或非直接地造成土壤有机质含量下降。尤其是传统耕作方式更容易导致土壤团聚体破碎，破坏土壤有机质的物理保护层，加快土壤氧化和矿化过程；与传统耕作相比，保护性耕作减少了对土壤团聚体的破坏，利于土壤表层有机质的累积，这是保护性耕作（特别是免耕）最典型的特点之一。同时，秸秆还田和施加有机肥是农田土壤有机质输入的主要途径，施加化肥是影响有机质累积速率的主要因素。一般认为，保护性耕作措施可以显著增加土壤有机质及有机碳含量。Zotarelli等研究发现12年的免耕使巴西农田土壤有机质由传统耕作下的每公顷损失19.2 mg有机碳降低到1.4mg。Yang等研究发现实行保护性耕作使北美地区农田土壤耕层有机碳含量在10年增加了7%-10%。Lou等对中国北方耕地进行研究发现保护性耕作相对于传统耕作可明显增加土壤表层有机碳含量，0-15 cm和20-40 cm有机碳含量的比值在保护性耕作条件下为1.5-1.8，而传统耕作下仅为1.2-1.3。以往的试验表明，这种有机质的积累多集中于土壤表层，但对深层土壤有机碳含量是否增加及其是否随耕作年限的增加而持续变化结论不一致。Blevins等经10年田间试验发现免耕土壤0-5cm的土壤有机碳是犁耕土壤的2倍。Lal和Ussiri经过43年长期定位试验研究发现，免耕可显著降低土壤有机碳的矿化率，从而增加了耕层0-15cm土层有机碳含量，但不同的耕作措施对15-30cm土壤有机碳含量的影响则不大。Kahlon等经过22年的耕作试验研究得出，免耕可使0～20cm土壤全碳含量较翻耕增加约30%。陈学文等认为，免耕可使0-5cm表层土壤中的有机碳含量显著提高，但在下层含量会下降，整体表现为0-30 cm并没有增加含量。也有人认为长期秸秆覆盖免耕条件下土壤有机质基本处于平衡状态。Angers等研究发现，在免耕和常规耕作处理下，在0-10 cm深度上，免耕处理碳总量高于常规耕作，但在20-40 cm深度上则情况相反，总体而言在0-60 cm内土壤有机碳总量没有明显变化。Hendfix等研究发现，经过3年的频繁耕翻，土壤总碳量没有出现明显流失，但在16年后，常规耕作下土壤总碳量流失达到40%，而免耕土壤总碳量流失仅有18%。李卿沛等，对西部干旱农区的研究发现保护性耕作可以提高0-30 cm土层的有机质含量，但是对养分总量平衡的影响不大。4保护性耕作对农业生产力的影响 中国作为一个人口大国，如何确保经济高速发展下的粮食安全问题，始终是中国所要面临的一个首要任务。然而，在现今的发展模式中，粮食产量的提高，往往伴随着环境的恶化和生产成本的攀升。保护性耕作改善了土壤结构，提高了土壤无机、有机养分，增强了土壤的蓄水保墒能力，改善了作物土壤生长环境，其注重环保和可持续发展引起了科学家的普遍重视。许多研究表明，保护性耕作可以有效提高作物产量王育红等指出，高留茬深松较传统耕作冬小麦平均增产18，8%。王改玲等研究发现免耕覆盖年限越长，越是干旱的年份，小麦增产效果越明显。赵海超研究表明通过施用有机肥可以明显增加玉米百粒重，使春玉米产量增加了26.15%-52.66%，深松比传统耕作使春玉米产量增加了3.59%。禄兴丽等研究发现深松还田的耕作方式可以有效增加玉米穗数、穗粒数和百粒重，可以提高产量达到33.3%。姬强等研究发现与传统耕作相比免耕、旋耕、深松模式下的作物产量提高了5%-25%。
也有学者认为保护性耕作条件下，作物增产和实施保护性耕作的年限和方式以及作物类型有密切关系。Manna等研究认为在稻麦轮作体系下，长期施用肥料可使作物产量随着试验年限的增长而逐渐降低。刘杰等研究认为秸秆覆盖的数量、时长影响作物产量，低秸秆覆盖量可增加小麦产量，而过度覆盖量可造成小麦减产。杜兴斌等研究认为翻耕直播随着轮作时间加长产量有逐年下降趋势，而免耕直播作物产量有逐年上升趋势。张兴义等研究认为免耕较传统旋耕条件下，经过9年的试验，玉米减产量可达到20%以上，而大豆可增产达到10%左右。Verhulst等研究发现在作物生长季，保护性耕作条件下的作物虽在初始阶段生长缓慢，但后期生长较快，从而提高了最终的籽粒产量。
但也有研究表明，保护性耕作并不能提高作物的产量，相反的会降低作物产量。贺丹等删研究认为水稻采用常规耕作、保护性耕作种植分蘖数和产量结果为常规耕作>保护性耕作。梁忠义研究表明，采取保护性耕作较常规耕作稻谷减产35，04%。刘爽经过8年试验认为免耕可使玉米减产，而少耕未使玉米和大豆减产。因此可见，保护性耕作对于作物产量的影响的机制还需要更深入的研究来揭示。5存在问题
目前，国内外农田土壤普遍存在有机碳含量下降，土壤板结的现象，对土壤的理化性状产生了严重影响，降低了农田土壤供水供肥能力，使农业生产力持续下降，土地利用可持续性降低。因势而行，保护性耕作随之得以迅速发展，耕作方式的选择成为影响粮食生产安全和生态环境效益的协调统一的关键因素。虽然保护性耕作在国外已经有了近80年历史，但国内保护性耕作的历史却较短，目前中国仅有6%的耕地采取了有效的保护性耕作措施，而这一数值在北美达到了60%。在现有的文献研究中大部分多集中于农业试验站的微观尺度试验，少有针对大田中观、宏观尺度的研究。这种由于保护性耕作发展历史的不同，技术发展水平的不同，以及群众自我意识的差异所引起的差距无疑是巨大的。而如何将农业试验站的技术条件推向大田农业，使普通农民自觉改善农田管理方式，对发展中国经济，确保粮食安全，实现经济效益和环境效益的“双赢”都具有重要的意义。采用保护性耕作与传统耕作条件下大田土壤有机碳含量的差异有多大，每年的变化速率是否相同，地域差异性如何，不同的保护性耕作措施是否具有普适性，这种针对大田土壤有机碳含量差异变化的时空对比研究还很少。6研究展望
尽管目前对保护性耕作方式对农田土壤有机碳影响的研究已取得了大量的成果，但由于农田土壤有机碳不仅受自然因素的影响，而且受人为因素的影响，其变化机理十分复杂，加之研究条件的限制，造成诸多研究结果也不尽一致。因此，在以后的研究中应倾向于以下几个问题：
（1）研究大田背景下的土壤有机碳的分布变化规律及其影响因素。目前多数的实验研究是基于长期的试验站定位研究，这类方法固然可以得到精确的试验结果，但肯定和广大农村实际推广的保护性耕作条件下的土壤有机碳实际状况有着较大的差异，这种差异在空间上和深度上有何不同，值得深入研究。
（2）对保护性耕作对土壤理化性质的研究和农作物产量影响的研究值得更加深入细分。由于研究区域分属不同的土壤类型和生态气候类型下，保护性耕作应该适时适地的进行影响机理研究，中国幅员辽阔的现实，也决定了这项工作的任重而道远。
（3）注重进行对比研究。因为存在不同的区域差异，不同的用地类型差异，不同的土壤类型差异。这种自然条件的差异，单独的农业试验站很难覆盖，因此有必要开展系统的对比研究，对比不同区域，不同用地类型，不同土壤类型下土壤有机碳存在的差异，对准确预测保护性耕作对农田土壤有机碳的影响也具有积极意义。
（4）针对土壤有机碳多因子综合效应进行研究。农田土壤有机碳除了受到外界环境因素的影响，还和土壤本身的理化性质和人类的管理措施有着密切的关系。关注保护性耕作的条件下，也同时应该考虑其他因子对土壤有机碳库的协同影响。基于多因素的综合分析，对人们在不同环境下确定更合理的固碳措施有积极作用。
关键词：保护性耕作；农田；土壤有机碳；农业生产力
中图分类号：K903，S158.5
文献标志码：A
论文编号：ciasl5080006
0引言
土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的碳库，作为影响大气C02浓度增减的重要的源和汇，土壤碳循环成为影响陆地碳循环，乃至全球碳循环中的重要因素农田土壤有机碳库占到土壤碳库的8%-10%，是受人类活动干扰最强的碳库，自工业革命以来土地利用和土壤耕作已导致（136+55）Pg的有机碳损失，大部分被排放至大气中，成为大气C02重要的源。诸多研究表明，合理的农业管理措施可以提高农田土壤有机碳库储量，使之转变为碳汇，而农田土壤有机碳库的恢复对于增强土壤质量，保障粮食安全，涵养水源，减少大气Co2含量均具有重要意义。
保护性耕作起源于美国，自20世纪30年代提出至今已有80余年的历史。保护性耕作相对于传统翻耕作业强调采用免耕和少耕来减少对农田表层土壤的扰动，作物秸秆进行还田覆盖以抵御风蚀、水蚀，提高土壤抗旱保湿的能力，从而提高土壤肥力和固碳能力。其中，免耕就是彻底取消犁耕翻，不翻动表土并保留一定的作物残茬覆盖。少耕，就是尽量缩小耕耘面积和减少耕耘次数，一般不采用犁耕，仅为保证土壤疏松和播种、除草而保留轻微土壤作业。已有的诸多试验和文献资料大多表明，保护性耕可有效促进农田土壤有机碳的积累，对提高土壤肥力和农业生产力具有重要影响。笔者通过分析国内外保护性耕作的发展状况，探讨了保护性耕作对土壤有机碳及作物产量影响的不确定性和复杂性，对保护性耕作存在的问题提出改进建议，为合理制订耕作措施和农业生产管理措施，减少环境负面效应，提供了理论指导和现实依据。
1.农田土壤有机碳对农业生产及固碳的意义
研究表明全球土壤碳库约为2500 Gt，其中土壤有机碳库（SOC）约为1550 Gt。由于土壤无机碳库（SIC）的更新周期超过1000年以上，短期内减缓气候变化的主要途径是促进土壤有机碳库（SOC）的稳定同。加之土壤有机碳库是大气碳库的2倍，陆地生物碳库的2-4倍，土壤碳库的微小变化可以导致大气C02浓度的显著变化-z-。土壤有机碳含量的变化主要取决于植物光和作用和有机质分解作用获取碳，由于土壤呼吸作用和有机质的淋溶、破碎损失碳。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，受人为扰动后直接表现为农田生态系统的碳汇和碳源效应，农田土壤有机碳含量是植物残体量以及其在土壤微生物作用下分解损失量二者之间平衡的结果。全球农业减排的自然总潜力每年高达7.3 Gt，其中93%来自减少土壤C02排放，故而农田生态系统具有相当可观的固碳潜力，使农田生态系统成为最具固碳潜力的陆地生态系统。
农田生态系统土壤碳库的变化集中变现为农田土壤有机碳含量的变化，与自然土壤相比，农田土壤极易受到人为因素的影响而引起土壤理化性质的改变，从而改变土壤固碳环境以及相关的一系列土壤过程。尤其是农田表层（0-20 cm）土壤有机碳直接与陆地生态系统碳循环动态混合，最直接反应是环境变化导致的土壤有机碳含量变化，受人为因素的剧烈扰动，含量存在着很大差异，直接影响土壤质量和作物产量的高低。这些人为因素对农田土壤有机碳含量的影响强度及速率远远超过一般的自然因素。合理的农业管理措施，例如秸秆还田和有机肥配施、少免耕技术的推广、化肥投入的增加都可以增加农田土壤有机碳含量，而不合理的农业管理措施，例如土地投入降低、秸秆移除、土地频繁翻耕都会导致农田土壤有机碳含量的降低。农田表层土壤有机碳含量对保持土壤肥力，改善气候环境均具有重大的意义。加之人类所面临的粮食安全问题，寻求经济增长和节能减排的平衡，如何实现农业发展的碳汇效益，缓解全球温室效应，使得农田土壤有机碳的研究成为了热点。
2.保护性耕作的概念及方法和作用
2.1保护性耕作的概念
保护性耕作起源于美国针对20世纪30、40年代黑风暴事件的一种保护性农业措施，这次自然灾害导致了美国历史上罕见的10年大旱灾，致使近4050 hm2的农田表土丧失殆尽，1.4万hm2的农田遭到毁坏。此次事件后，美国科学家开始深入研究农业耕作对生态系统带来的影响，倡导以免耕法为主的保护性耕作制度，保护性耕作随着生态环境保护需求得以迅速发展。
保护性耕作的定义随着农业耕作的发展不断变化，至今国际上还没有统一定义。Mannering和Fenster将保护性耕作定义为“在某种种植制度下，能维持最少30%土壤覆盖，并减少水土流失，提高耕地产量的一种耕作方式。国际保护性耕作信息中心（cTIC）将保护性耕作定义为“维持最少30%作物残留覆盖或维持1000 kgmnl2的作物残留覆盖土壤，以减少降水和风沙侵蚀为主要目的的耕作方式。Lal认为保护性耕作主要是通过保留作物残留来提高土壤质量，减少水土流失的一种耕作方式。中国农业部将保护性耕作定义为：在能够保证种子发芽的前提下，通过少耕、免耕、化学除草技术措施的应用，尽可能保持作物残茬覆盖地表，减少土壤水蚀、风蚀，实现农业可持续发展的一项农业耕作技术。普遍来说保护性耕作是采取一系列综合措施用以减少水土流失，增加土壤有机碳、提高作物产量的耕作方式。
2.2保护性耕作的方法和本质
Unzer和McCalla、Cannell、Lal、Blevins和Fryep51分别对保护性耕作方法和本质进行了阐述。目前，比较广泛接受的分类为CTIC依据作物残余管理系统将耕作方式进行分类。具体有免耕、垄作、幂作、少耕、常规耕作，前4种属于保护性耕作的范畴，同时用作物残茬覆盖地表以抵御风蚀、水蚀，提高土壤抗旱保湿的能力，从而提高土壤肥力和固碳能力。 保护性耕作的核心内容包含4个方面：一是摒弃传统耕作方式，实行免耕或少耕，尽量减少对农田土壤表层的扰动；二是用作物残茬覆盖地表，在免耕或少耕的基础上，秸秆加工还田可以起到固土和培肥的效果，有效减少风蚀、水蚀和水分蒸发带来的土壤质量下降；三是采用免耕播种，省去耕地作业，减少机械扰动，增强土壤蓄水保墒能力，有效降低作业成本；四是改人工作业控制杂草为机械表土作业或完全利用除草剂控制杂草。
保护性耕作的本质是改变传统的精耕细作对土壤的过度加工，尽量减少对土壤的扰动，改善土壤结构，减少风蚀、水蚀和养分流失，达到保土保水、增加土壤肥力和保护土壤性状的目的，创造良好的生态环境，同时减少劳动力、机械设备和能源的投入，提高劳动生产率，达到节本、增收的目的，从而实现农业节本增效和生态环境的双重有效保护，从根本上解决土地资源的保护和利用之间的矛盾、农业生产和生态环境保护之间的矛盾，实现农业生产与环境保护的双赢。
3.保护性耕作措施对土壤的水分条件、温度条件、肥力条件以及土壤的理化性质都会产生影响。加之由于作物系统的不同、轮作方式的不同，都会间接对农田土壤有机碳含量产生影响。同时，秸秆还田和有机肥的施用是最直接提高农田土壤有机碳含量的途径。
3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响
不同耕作方式对土壤温度、水分、容重和孔隙度、团聚体结构等土壤物理特性的效应存在差异。保护性耕作对土壤温度的影响主要来自秸秆覆盖、土壤结构、土壤水分条件的变化。周兴祥等的研究表明秸秆覆盖对光辐射吸收及热传导具有显著影响。周凌云等研究发现覆盖秸秆的麦田冬季可提高耕层土壤（0～15cm）温度0.5～2.5℃。袁家富研究发现麦田覆盖稻草对土壤调温有显著作用，这种作用随覆盖量和土壤深度的增加而增加。陈素英等研究认为秸秆覆盖可有效提高土壤表层0～20 cm地温，在冬季秸秆覆盖比不覆盖可高0.2～1.1℃。
由于作物秸秆与残茬覆盖地表，可有效减少土壤水分蒸发，达到土壤蓄水保墒的作用。丁昆仑等的研究表明秸秆覆盖可有效保持表层土壤结构，使耕层土壤含水量提高2%～11%，这种效果在干旱年份尤为显著。张海林等的研究表明免耕比传统耕作可增加土壤蓄水量10%，提高水分利用率10%，减少水分蒸发约40%。刘跃平等的研究表明秸秆覆盖较常规耕作方式地表径流量减少57%，蒸发量降低32%，降水利用率提高43%。黄高宝等研究发现免耕秸秆覆盖能够显著改善0～200cm土层土壤贮水量及含水量，随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强。王改玲等，人不同年限免耕覆盖的小麦生产区进行研究发现，保护性耕作能增加土壤孔隙度，从而降低土壤容重，有利于土壤持水。
保护性耕作使土壤容重降低、孔隙度增加、且随着保护年限的增加，土壤容重呈降低趋势。严洁等研究发现连续施行保护性耕作可以改变土壤内部团聚体结构，改善土壤的持水性和通气性，利于养分的贮藏和释放。武际等，对连续4年的稻麦轮作制试验结果表明，免耕提高了耕层土壤体积质量，降低了土壤含水率，促进了土壤有机质和全氮在表层土壤的富集。王岩等在华北高寒区的试验证明不同耕作方式对农田耕层土壤容重具有明显的影响，翻耕和松耕可以显著降低耕层土壤容重。巩文峰等等在对黄土高原旱地表层土壤理化性质变化研究表明示，保护性耕作在维持表层土壤含水量、降低土壤容重和提高土壤孔隙度、促进土壤团聚体形成和提高有机碳利用率方面具有良好的效果。张仁陟等认为免耕秸秆覆盖措施有助于形成良好的土壤结构、减少土壤侵蚀、改善土壤持水特性、提高土壤养分利用效率、改善土壤微生物活性、增强作物光合效能、从而增加作物产量，对改善区域土壤质量、促进农业可持续发展有重要意义。3-2保护性耕作对土壤化学性质的影响
保护性耕作能增加土壤中氮、磷、钾、有机质含量，增加土壤阳离子交换量，降低土壤的pH，影响土壤酶活性以及土壤微生物的种类和数量[56-591。已有研究表明，土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾等含量随着免耕和秸秆覆盖年限的增加而增加。张水清等研究认为免耕、浅耕较旋耕、深耕可以一定程度上提高苗期和灌浆期土壤含水率，以及土壤碱解氮和有效磷，并显著提高作物不同生育时期的土壤微生物生物量碳氮。刘禹池研究认为保护性耕作以及保护性耕作条件下增施化肥对耕层土壤养分全量和速效量以及有机质含量都有提升作用，尤其是0～5cm的提升更为显著，保护性耕作条件下增加化肥的施用量提高了土壤养含量和有机质含量。慕平的研究显示相对于翻耕稻秆覆盖，免耕无覆盖与保护性耕作耕层0～30cm速效氮和速效磷均有所增加，但速效磷以保护性耕作增长幅度最大，而速效氮却以保护性耕作增长幅度最小。戴志刚等研究认为秸秆还田能够有效提高土壤有机质、速效钾含量，但是对土壤全磷、速效磷影响较小，并得出秸秆还田是影响土壤理化性质的主要因素，不同耕作模式之间差异不显著。严洁等研究认为进行免耕稻秆覆盖处理的土壤养分除碱解氮外，有机质、全氮、全钾、全磷及速效磷、速效钾均高于免耕无稻秆覆盖和常规耕作的土壤。徐国伟等研究认为秸秆还田能够增强土壤酶活性，降低土壤中Na+、Mg2及ca含量，提高土壤肥力。兰宇等研究除了发现秸秆还田和施加有机肥可增加土壤酶活性外，还发现土壤脲酶与转氨酶与土壤中氮、磷、钾与有机质含量，含水量呈正相关关系，与土壤容重呈负相关关系。朱新玉等的研究表明长期施加有机肥有利于提高土壤动物群落的丰富度和多样性，并认为施肥方式对土壤中动物类群密度的影响差异性显著。向新华的研究表明保护性耕作能明显提高土壤细菌和真菌的数量，但对其比率无明显影响，尤其利于镰孢菌和腐霉菌在土壤中累积。3-3保护性耕作对土壤有机质及土壤有机碳的影响
耕作是引起农田土壤有机质含量下降的主要原因，耕作的机械作用使土壤破碎、分散和混合，直接或非直接地造成土壤有机质含量下降。尤其是传统耕作方式更容易导致土壤团聚体破碎，破坏土壤有机质的物理保护层，加快土壤氧化和矿化过程；与传统耕作相比，保护性耕作减少了对土壤团聚体的破坏，利于土壤表层有机质的累积，这是保护性耕作（特别是免耕）最典型的特点之一。同时，秸秆还田和施加有机肥是农田土壤有机质输入的主要途径，施加化肥是影响有机质累积速率的主要因素。一般认为，保护性耕作措施可以显著增加土壤有机质及有机碳含量。Zotarelli等研究发现12年的免耕使巴西农田土壤有机质由传统耕作下的每公顷损失19.2 mg有机碳降低到1.4mg。Yang等研究发现实行保护性耕作使北美地区农田土壤耕层有机碳含量在10年增加了7%-10%。Lou等对中国北方耕地进行研究发现保护性耕作相对于传统耕作可明显增加土壤表层有机碳含量，0-15 cm和20-40 cm有机碳含量的比值在保护性耕作条件下为1.5-1.8，而传统耕作下仅为1.2-1.3。以往的试验表明，这种有机质的积累多集中于土壤表层，但对深层土壤有机碳含量是否增加及其是否随耕作年限的增加而持续变化结论不一致。Blevins等经10年田间试验发现免耕土壤0-5cm的土壤有机碳是犁耕土壤的2倍。Lal和Ussiri经过43年长期定位试验研究发现，免耕可显著降低土壤有机碳的矿化率，从而增加了耕层0-15cm土层有机碳含量，但不同的耕作措施对15-30cm土壤有机碳含量的影响则不大。Kahlon等经过22年的耕作试验研究得出，免耕可使0～20cm土壤全碳含量较翻耕增加约30%。陈学文等认为，免耕可使0-5cm表层土壤中的有机碳含量显著提高，但在下层含量会下降，整体表现为0-30 cm并没有增加含量。也有人认为长期秸秆覆盖免耕条件下土壤有机质基本处于平衡状态。Angers等研究发现，在免耕和常规耕作处理下，在0-10 cm深度上，免耕处理碳总量高于常规耕作，但在20-40 cm深度上则情况相反，总体而言在0-60 cm内土壤有机碳总量没有明显变化。Hendfix等研究发现，经过3年的频繁耕翻，土壤总碳量没有出现明显流失，但在16年后，常规耕作下土壤总碳量流失达到40%，而免耕土壤总碳量流失仅有18%。李卿沛等，对西部干旱农区的研究发现保护性耕作可以提高0-30 cm土层的有机质含量，但是对养分总量平衡的影响不大。4保护性耕作对农业生产力的影响 中国作为一个人口大国，如何确保经济高速发展下的粮食安全问题，始终是中国所要面临的一个首要任务。然而，在现今的发展模式中，粮食产量的提高，往往伴随着环境的恶化和生产成本的攀升。保护性耕作改善了土壤结构，提高了土壤无机、有机养分，增强了土壤的蓄水保墒能力，改善了作物土壤生长环境，其注重环保和可持续发展引起了科学家的普遍重视。许多研究表明，保护性耕作可以有效提高作物产量王育红等指出，高留茬深松较传统耕作冬小麦平均增产18，8%。王改玲等研究发现免耕覆盖年限越长，越是干旱的年份，小麦增产效果越明显。赵海超研究表明通过施用有机肥可以明显增加玉米百粒重，使春玉米产量增加了26.15%-52.66%，深松比传统耕作使春玉米产量增加了3.59%。禄兴丽等研究发现深松还田的耕作方式可以有效增加玉米穗数、穗粒数和百粒重，可以提高产量达到33.3%。姬强等研究发现与传统耕作相比免耕、旋耕、深松模式下的作物产量提高了5%-25%。
也有学者认为保护性耕作条件下，作物增产和实施保护性耕作的年限和方式以及作物类型有密切关系。Manna等研究认为在稻麦轮作体系下，长期施用肥料可使作物产量随着试验年限的增长而逐渐降低。刘杰等研究认为秸秆覆盖的数量、时长影响作物产量，低秸秆覆盖量可增加小麦产量，而过度覆盖量可造成小麦减产。杜兴斌等研究认为翻耕直播随着轮作时间加长产量有逐年下降趋势，而免耕直播作物产量有逐年上升趋势。张兴义等研究认为免耕较传统旋耕条件下，经过9年的试验，玉米减产量可达到20%以上，而大豆可增产达到10%左右。Verhulst等研究发现在作物生长季，保护性耕作条件下的作物虽在初始阶段生长缓慢，但后期生长较快，从而提高了最终的籽粒产量。
但也有研究表明，保护性耕作并不能提高作物的产量，相反的会降低作物产量。贺丹等删研究认为水稻采用常规耕作、保护性耕作种植分蘖数和产量结果为常规耕作>保护性耕作。梁忠义研究表明，采取保护性耕作较常规耕作稻谷减产35，04%。刘爽经过8年试验认为免耕可使玉米减产，而少耕未使玉米和大豆减产。因此可见，保护性耕作对于作物产量的影响的机制还需要更深入的研究来揭示。5存在问题
目前，国内外农田土壤普遍存在有机碳含量下降，土壤板结的现象，对土壤的理化性状产生了严重影响，降低了农田土壤供水供肥能力，使农业生产力持续下降，土地利用可持续性降低。因势而行，保护性耕作随之得以迅速发展，耕作方式的选择成为影响粮食生产安全和生态环境效益的协调统一的关键因素。虽然保护性耕作在国外已经有了近80年历史，但国内保护性耕作的历史却较短，目前中国仅有6%的耕地采取了有效的保护性耕作措施，而这一数值在北美达到了60%。在现有的文献研究中大部分多集中于农业试验站的微观尺度试验，少有针对大田中观、宏观尺度的研究。这种由于保护性耕作发展历史的不同，技术发展水平的不同，以及群众自我意识的差异所引起的差距无疑是巨大的。而如何将农业试验站的技术条件推向大田农业，使普通农民自觉改善农田管理方式，对发展中国经济，确保粮食安全，实现经济效益和环境效益的“双赢”都具有重要的意义。采用保护性耕作与传统耕作条件下大田土壤有机碳含量的差异有多大，每年的变化速率是否相同，地域差异性如何，不同的保护性耕作措施是否具有普适性，这种针对大田土壤有机碳含量差异变化的时空对比研究还很少。6研究展望
尽管目前对保护性耕作方式对农田土壤有机碳影响的研究已取得了大量的成果，但由于农田土壤有机碳不仅受自然因素的影响，而且受人为因素的影响，其变化机理十分复杂，加之研究条件的限制，造成诸多研究结果也不尽一致。因此，在以后的研究中应倾向于以下几个问题：
（1）研究大田背景下的土壤有机碳的分布变化规律及其影响因素。目前多数的实验研究是基于长期的试验站定位研究，这类方法固然可以得到精确的试验结果，但肯定和广大农村实际推广的保护性耕作条件下的土壤有机碳实际状况有着较大的差异，这种差异在空间上和深度上有何不同，值得深入研究。
（2）对保护性耕作对土壤理化性质的研究和农作物产量影响的研究值得更加深入细分。由于研究区域分属不同的土壤类型和生态气候类型下，保护性耕作应该适时适地的进行影响机理研究，中国幅员辽阔的现实，也决定了这项工作的任重而道远。
（3）注重进行对比研究。因为存在不同的区域差异，不同的用地类型差异，不同的土壤类型差异。这种自然条件的差异，单独的农业试验站很难覆盖，因此有必要开展系统的对比研究，对比不同区域，不同用地类型，不同土壤类型下土壤有机碳存在的差异，对准确预测保护性耕作对农田土壤有机碳的影响也具有积极意义。
（4）针对土壤有机碳多因子综合效应进行研究。农田土壤有机碳除了受到外界环境因素的影响，还和土壤本身的理化性质和人类的管理措施有着密切的关系。关注保护性耕作的条件下，也同时应该考虑其他因子对土壤有机碳库的协同影响。基于多因素的综合分析，对人们在不同环境下确定更合理的固碳措施有积极作用。