探索农田有机碳固存机制,促进旱作农业可持续发展

——旱作农田土壤有机碳高效固存机制研究

文章来源:中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所作者: 点击数:发布时间:2016-12-29【字体:   

旱作农业指主要依靠和利用自然降水进行的农业生产,其核心是综合运用生物、农艺、农机、田间工程及信息等技术措施,最大限度提高降水利用率、利用效率和效益。我国旱地农业的范围, 主要指沿昆仑山—秦岭—淮河一线以北的干旱、半干旱和半湿润易旱地区,包括 15 个省(市、自治区)的 965 个县(市),现阶段旱作耕地10.1亿亩,占总耕地的56%,提供了40%以上的粮食生产能力,但也聚集了全国80%以上的贫困人口和70%左右的生态脆弱区。依靠科技创新,大力发展可持续旱作区农业,既是我国保障粮食安全、消除贫困和保护生态环境的重大需求,也是国际社会需要长期共同面对的重大科学命题。
  近十几年来,中国北方旱地农田土地生产能力明显提高,长期以来片面追求产量而忽视生态环境的现象正在悄然发生着变化,初步显示出旱作农业生产与生态可持续发展的良好态势。这离不开广大科技工作者的艰苦奋斗,离不开无数人的心血和智慧,刘恩科所带领的项目团队便是他们中的一分子。研究团队以旱地农业发展和生态保护协调发展为契机,从固碳减排为切入点,围绕有机质-土壤-微生物相互作用三个方面,以旱地有机碳转化和稳定的过程、动态和功能为主线,去探索固碳土壤学的核心问题-土壤固碳容量和固碳作用机制。深入系统研究有机碳高效固存对土壤肥力和环境的影响,为旱作农业的可持续发展提供理论和技术支持。

探索固碳密码,提升耕地质量

  不同种类秸秆、畜禽粪便等农业废弃物施入到土壤中,土壤固碳效率为什么不同?不同的耕作措施、种植模式下土壤固碳的能力也不同,什么因素影响其高效固存?只有摸清这些问题,才能有针对性的提出固碳技术和模式,提高固碳效率,增加土壤肥力。研究团队发现长期施用一种有机物或采用一种模式进行种植,土壤有机碳会达到一个平衡,这种平衡一旦建立,再继续施入有机物土壤有机碳也不会增加,需改变施入有机物种类、耕作制度、种植模式,才会打破有机碳平衡,增加土壤固碳潜力;同时,研究团队发现旱作农田外源有机碳加入对原有土壤有机碳具有“激发效应”,即投入新鲜有机质会使土壤中原有有机质的分解速率改变的现象,并且固碳效应与激发强度成正比。在此基础上,研究团队针对旱作区重要的干湿交替现象,研究了干湿交替与激发效应相互关系对有机碳转化的影响,这为进一步探索旱地有机碳的高效固存机理提供了重要线索。
  为什么不同种类的有机物的固碳效率不同,影响因素是什么?团队发现微生物在有机碳转化过程中起重要作用,研究团队发现旱作土壤有机碳转化和固定与低碳代谢微生物区系及功能具有共演化规律,当土壤有机碳固定效率提高时,伴随着微生物熵增高、真菌优势度提高、碳呼吸率降低和酶强度提高等过程;同时,团队利用稳定同位素探针技术,揭示了玉米和小麦秸秆分解过程中真菌和细菌主导作用的差异性,定性分析出各降解时期起关键作用的微生物菌群,为旱作农田有机碳高效固存微生物的筛选提供了重要科学依据。
  转入土壤中的有机碳是如何被保护,减少其损失呢?研究团队通过长期定位试验研究发现,发现长期外源有机物质投入首先在大团聚体富集,这说明大团聚体对有机碳具有很好的保护作用,进一步研究发现外源有机碳进一步在大团聚体内部的微团聚体组分中积累,而大团聚体核心的有机碳结构稳定性和腐殖化程度高于表面,从而有利于土壤有机碳的固定,这为旱作农田土壤有机碳的固存研究提供了新的研究思路。
  输入到土壤中的有机碳只有稳定了,才能真正把有机碳固存下来。影响土壤有机碳稳定因素是什么?以往研究多片面区分物理影响因素或生物影响因素,而生物物理学的交互作用考虑较少。研究团队研究发现旱作土壤外源有机碳输入后,在土壤结构重建过程中影响有机物料分解速率、过程和产物去向的生物物理学证据。在干燥期施入有机物料将减缓有机物料的分解速率,且其分解速率的降低程度与干湿交替的频次和强度密切相关。其原因是有机物料添加后,干湿交替的频次和强度调控团聚体内孔隙分布,改变土壤微生物的物理生境,导致其向以真菌为主导的微生物群落结构转变,进而影响有机物料分解速率和过程。该理论成果指导该区域耕作制度的优化,相关研究成果在东北旱作区进行应用。


工作照片

有机碳高效固存机制

有机碳提升增加土壤蓄水能力

有机碳增加可增加土壤动物量
推广成果应用,丰富研究成果

  农业科研人员两只脚,一只脚要踏在科研里,一只脚要踏在农田里。理论要应用实践中,要想针对性的采取固碳措施,首先要摸清旱作农田的家底。刘恩科研究员带领团队历时3年对我国东北、西北、华北主要旱作区进行实地调查和取样,与第二次土壤普查数据相对比,对30年(1980-2010)旱作农田土壤有机碳密度和碳储量变化估算,查明了北方旱作农田土壤有机碳演变规律,在此基础上,构建了不同旱作类型区的有机碳预测模型,提出不同类型区固碳增产的技术、制度和模式,与公司合作开发研制出旱作农田专用微生物菌肥。相关技术和产品进行了推广应用,促进了秸秆等农业废弃物资源的高效利用与耕地质量提升,具有显著的社会和生态环境效益。
  左右采获,硕果累累。对于科研团体而言,评判其科研水平高低的标准便是其科研成果的多少及档次的高低。而发表学术论文便是呈现科研成果最直接的方式,是培养创新性人才的重要手段和途径。团队一直坚持不断提高科研水平,学术成果丰富,战绩显赫。该项目共取得11项知识产权,发表论文85篇,其中SCI论文45篇,出版专著5部,专著《中国北方旱地农田土壤有机碳》获国家科学技术学术著作出版基金资助,1篇论文ESI评为高被引论文(被引用次数处于世界前1%)。
  “乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海。”农田土壤碳研究既是我国保障粮食安全、消除贫困和保护生态环境的重大需求,也是国际社会需要长期共同面对的重大科学命题。经过长期探索,刘恩科研究员带领的项目团队站在了新的起点上。带着一份执著的追求和不懈的努力,团队所有成员以更加昂扬的姿态向前挺进,务实钻研,进一步提升土壤生产力,为促进旱作农业可持续发展提供新的解决方案,强化未来粮食安全与生态环境保护的双重保障。