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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

马守臣教授:不同耕作方式对矿区复垦耕地的碳库时间效应和耕地生产力的影响|“碳中和科学与工程”专题

2023-08-11


创新点
(1)不同耕作措施通过影响土壤固碳速率而对有机碳积累有不同的影响。深耕有助于复垦前期迅速提高各土层有机碳SOC活性有机碳AOC质量分数,轮耕有助于复垦后期各土层保持较高的SOCAOC质量分数。
(2)不同耕作措施对有机碳层化比(RS)有不同的影响。在复垦前期,浅耕、深耕轮耕处理的RS都显著高于免耕。但到复垦后期免耕浅耕保持较高的RS深耕轮耕RS显著降低。
(3)不同耕作措施通过影响SOCAOC积累从而影响各土层碳库管理指数(ICPM)。复垦8 a后, DST积累了最高的SOCAOC,因此,ICPM为最高。
(4)适当的耕作方式通过影响土壤固碳速率而改善土壤质量并最终影响作物生产。在复垦早期深耕能迅速提高各土层SOC质量分数有助于产量速提高,而到后期,轮耕则能使整个土层的保持较高SOCAOC质量分数并降低Rs有助于作物高产。
(5)基于土壤固碳状况和作物生产能力,在复垦早期宜采用深耕措施,到复垦后期轮耕则是更好耕作方式,而以浅耕和免耕为主要措施的保护性耕作不利于复垦耕地的土壤碳固存和生产力的快速提升。

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不同耕作方式对矿区复垦耕地的碳库时间效应和耕地生产力的影响

作者:马守臣,王新生1, 2 ,刘赛赛,张合兵1
单位:1. 河南理工大学 测绘与国土信息工程学院;2. 河南科技学院 生命科技学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
煤炭开采在为国家经济做出巨大贡献的同时,对区域的生态、生产和生活环境也造成严重影响,尤其是井工开采造成土地大面积沉陷,使耕地遭到破坏, 土壤质量退化,严重影响作物生产,从而造成大量耕地弃耕荒芜。因此,对矿区受损土地进行复垦治理 对于改善矿区生态状况、缓解人地矛盾具有重要实践 价值。针对矿区受损土地的复垦问题,相关研究主要集中在复垦技术、复垦土壤质量以及植被恢复模式等方面,很少关注复垦后田间管理措施对耕地质量的 影响。虽有一些学者对复垦耕地培肥措施进行了研究,但对于复垦耕地的合理耕作措施研究却鲜有报道。长期不合理耕作 (如翻耕将破坏土壤结构、加速土壤有机碳损耗、导致耕层土壤变薄、土壤肥力下降等土壤健康问题。以少耕、免耕和秸秆还田为主要内容的保护性耕作虽能减少土壤碳库损失、增加土壤固碳能力,但长期免耕、浅耕会导致有机碳、养 分在地表富集、层化,使作物秸秆得不到合理还田利用,易造成土壤紧实,通透性变差,影响作物根系生长发育。而适宜的耕作方式可改善土壤理化性状,提高土壤质量,有助于作物可持续生产。因此,研究不同耕作方式对复垦耕地的土壤碳库的影响,可为 复垦耕地选择科学合理田间管理方式、培肥复垦土壤 提供重要理论依据。
土壤有机碳 (SOC) 对土壤的持水保肥性能、土壤结构和土壤生物多样性等有重要影响,进而影响土壤肥力及作物产量。因此,土壤有机碳质量分数常用来评价土壤质量和健康程度,但其高低只表明土壤碳库的数量并不能完全表征土壤碳库质量。土壤活性有机碳 (AOC) 作为碳库组成之一,是土壤中易被分解转化、活跃程度最高的有机碳组分,是土壤微生物 活动的碳源和养分流的驱动力,与土壤的碳源/汇功能 密切相关。碳库管理指数 (ICPM综合了田间管理措施对土壤SOC和 AOC 的影响,既能全面反映土壤有 机碳数量及质量,又能反映农田管理措施对碳的固存 和养分循环潜力的影响。不同耕作措施通过影响土壤有机碳和活性有机碳质量分数变化而对土壤碳库活性及其管理指数有着重要的影响。因此,构建适合的耕作方式,增加土壤固碳能力、提高土壤肥力,是复垦区亟待解决的农业生产实践问题。
目前,我国煤炭开采破坏耕地面积可达1.0×10hm2,仍以每年4×10hm的速度递增。为了改善矿区农业生产和生态状况,缓解人地矛盾,矿区政府常对破坏土地进行复垦治理。在土地复垦过程中,由 于复垦工程措施对土壤扰动较大,且复垦土壤结构不 良,营养贫瘠,土壤养分尤其有机碳严重缺乏,从而限 制了复垦耕地生产力的迅速恢复。此外,由于复垦后缺乏科学的田间管理和耕作措施,土壤质量提升缓慢, 限制了作物生产高产高效。提升复垦土壤有机碳最 直接有效的途径就是外源有机碳输入,最具有代表性的外源有机碳源是农作物秸秆。土壤耕作和秸秆还 田是驱动农田土壤碳库周转的关键因素,合理的耕作措施配合作物秸秆还田不但能够有效提高土壤SOC水平,从而改善土壤物理结构,还可增加土壤氮磷钾养分质量分数等,为作物生长提供丰富的营养物质,最终影响耕地生产力。因此,笔者以矿区复垦土壤为研究对象,通过长期定位试验,在作物秸秆还田的基础上,对比分析不同耕作措施下土壤 SOCAOC 质量分数及 ICPM变化,并结合产量表现,筛选有助于复垦土壤质量提升的耕作模式,并为矿区复垦耕地治理的提供科学的理论依据。
摘要
 ABSTRACT

对采矿破坏土地进行复垦并探究科学的田间管理方式对于缓解人地矛盾、迅速提高复垦耕地生产力具有重要的意义。基于煤矿区复垦耕地长期定位试验,通过对比不同耕作措施下土壤总有机碳(SOC)、活性有机碳(AOC)含量、碳库管理指数(ICPM)和产量变化,探索有助于复垦土壤质量迅速提升的耕作模式。在小麦播种前设置免耕(NT)、浅耕(ST)、深耕(DT)、深耕−浅耕交替轮耕(DST)共4个耕作处理。

结果表明:① 不同耕作措施通过影响固碳速率(RCS)而对SOC积累有不同的影响。与NT相比,DT有助于复垦前期迅速提高各土层SOC和AOC含量,DST有助于复垦后期各土层保持较高的SOC和AOC含量。ST有助于表层SOC和AOC积累,对深层土壤SOC和AOC的影响小于DT和DST。② 不同耕作措施对有机碳层化比(RS)有不同的影响。在复垦前期,ST、DT和DST处理的RS都显著高于NT。但到复垦后期NT和ST保持较高的RS,DT和DST的RS显著降低。③ 不同耕作措施通过影响SOC和AOC积累而影响各土层的碳库指数(ICP)和碳库活度指数(IA),从而影响其ICPM。复垦8 a后,ST、DT和DST处理各土层的ICPIAICPM均大于NT。DST积累了最高的SOC和AOC,因此其ICPIAICPM为最高。DT由于长期过度翻耕促进了SOC的矿化分解,导致其ICPIAICPM低于DST。ST虽可提高表层SOC和ICP,但其IA低于DT和DST,导致其ICPM也较低。④ 不同耕作方式通过影响土壤固碳也影响了作物生产。在复垦前期,ST、DT和DST的增产率和产量均大于NT,DT有最高的产量和增产率,而到复垦后期,DST的产量和增产率最高。相关分析表明,在复垦前期DT通过迅速提高各土层SOC含量有助于产量提高,而到后期,DST则通过提高整个土层的SOC、AOC含量和降低SR有助于作物高产。总之,基于土壤固碳和作物生产能力,在复垦早期宜采用DT措施,到复垦后期DST则是更好耕作方式,而NT和ST不利于复垦耕地的土壤碳固存和产量的快速提升。

部分图片



 1    不同耕作方式的土壤有机碳 (SOC) 含量变化


 2    不同耕作方式的土壤活性有机碳 (AOC) 含量变化


 3    不同耕作方式下土壤固碳速率 (RCS变化


 4    不同耕作方式的有机碳层化率 (R的变化


 5    不同耕作方式的产量和增产率 (RYI变化

作者简介


马守臣,男,19724月生,河南辉县市人,河南理工大学测绘与国土信息工程学院教授/博士生导师。河南省创新团队土地整治与生态修复”团队骨干成员。先后主持国家自然基金项目、国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、博士后特别资助项目等省部以上项目10余项。发表学术论文100余篇,其中SCI/EI论文30余篇,出版专著4部。获省部级科技奖励7项,2014获选河南理工大学“太行学者”


研究方向

矿区土地复垦与生态重建 


主要成果

长期致力于矿区土地复垦与生态重建/修复理论与技术的研究,在煤矿沉陷区耕地破坏机理、受损土地的土地复垦与地力提升、矿区污染土地生态修复、矿区景观重建与优化等方面取得多项创新性研究成果和关键技术突破,为我国煤矿区受损土地的生态治理提供了重要理论支撑和行之有效技术保障。


来源:

马守臣,王新生,刘赛赛,等不同耕作方式对矿区复垦耕地的碳库时间效应和耕地生产力的影响[J]. 煤炭学报,202348(7):2858−2868.


责编:钱小静
编辑:赵泽维
审核:张晓宁

  责任编辑:宫在芹
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