陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳庫儲量約為大氣碳庫儲量的2倍，其變化對二氧化碳濃度影響巨大。與草地、森林等自然生態(tài)系統(tǒng)相比，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的影響更為劇烈，頻繁地耕作伴隨秸稈移除會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲量迅速衰減。土壤有機(jī)碳儲量的下降導(dǎo)致土壤肥力退化以及土地生產(chǎn)力的下降，嚴(yán)重威脅著國家的糧食安全。東北黑土區(qū)作為我國主要的糧食生產(chǎn)基地的重要原因在于黑土是一種自然肥力高、富含有機(jī)質(zhì)且適于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力與物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。然而，近百年來的大規(guī)模耕墾加之管理不善，以傳統(tǒng)耕作（秸稈焚燒+秋翻）為主的耕作措施導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的急劇下降，迫使我們需要改進(jìn)耕作措施來阻止土壤有機(jī)碳的繼續(xù)流失。因此，我們提出了利用保護(hù)性耕作來增加土壤有機(jī)碳含量進(jìn)而提升土壤生產(chǎn)力，然而保護(hù)性耕作的作用在國際學(xué)術(shù)界存在著廣泛的爭議，需要通過長期觀測來明確其對土壤有機(jī)碳的影響及機(jī)制。

東北地理所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組以保護(hù)性耕作長期定位試驗地（始于2001年）為研究平臺，開展了系列保護(hù)性耕作對土壤有機(jī)碳動態(tài)變化影響的研究，揭示了有機(jī)碳不同組分對不同耕作措施的響應(yīng)機(jī)制。通過定位連續(xù)監(jiān)測，我們發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作連續(xù)實施5年后，表層5cm土壤有機(jī)質(zhì)含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%，有機(jī)質(zhì)含量從28.28g/kg提升至43.02g/kg。保護(hù)性耕作下有機(jī)碳儲量增加速率最高可達(dá)到0.80Mg C ha?1 yr?1，作物碳進(jìn)入土壤比例為16%左右，而傳統(tǒng)性耕作則以0.52Mg C ha?1 yr?1的速率繼續(xù)減少有機(jī)碳儲量（表1）。該部分研究成果被2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與財政部聯(lián)合印發(fā)的《東北黑土地保護(hù)性耕作行動計劃（2020—2025年）》采用，為保護(hù)性耕作在東北地區(qū)大面積推廣應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。同時，我們利用物理及化學(xué)分組方法明晰了保護(hù)性耕作對不同碳庫分布的影響：從團(tuán)聚體角度出發(fā)，證明了保護(hù)性耕作對土壤有機(jī)碳長期固存的積極作用，從密度粒徑的角度得出保護(hù)性耕作不僅增加了輕組有機(jī)碳組分，對粘粉粒結(jié)合碳的提升也有顯著作用（圖1）；化學(xué)組分結(jié)果顯示，保護(hù)性耕作不僅增加了有利于微生物、植物吸收利用的活性碳庫，同時也增加了有利于長期固碳的惰性碳庫，全面揭示了不同有機(jī)碳組分對保護(hù)性耕作的響應(yīng)情況，為深入研究其固定機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。表1.不同耕作措施下土壤有機(jī)碳儲量（0-30cm）及其變化速率、產(chǎn)量和碳投入

注：Initial：2001年；NTMS：免耕+玉米大豆輪作；MPMS：秋翻+玉米大豆輪作；NTMM：免耕+玉米連作；MPMM：秋翻+玉米連作；CTMM：傳統(tǒng)性耕作；Ca：年均碳投入（MgC ha-1 yr-1）；SOC：土壤有機(jī)碳；Rc：SOC儲量變化速率（MgC ha-1 yr-1）；Cr：作物碳?xì)埩袈省Ｍ恍邢嗤懽帜副硎緹o顯著差異（P> 0.05）。

圖1.與傳統(tǒng)性耕作相比不同耕作措施土壤有機(jī)碳儲量在各粒徑中分配情況注：NTMS：免耕+玉米大豆輪作；MPMS：秋翻+玉米大豆輪作；NTMM：免耕+玉米連作；MPMM：秋翻+玉米連作；SOC：土壤有機(jī)碳；LF：輕組物質(zhì)；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：粘粒；平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=4；不同耕作措施下相同小寫字母表示無顯著性差異（P> 0.05）。相關(guān)研究結(jié)果先后發(fā)表在國際土壤科學(xué)領(lǐng)域主流學(xué)術(shù)期刊Geoderma，Soil& Tillage Research和European Journal of Soil Science上。張延博士為第一作者，梁愛珍（青促會會員）研究員為通訊作者，該研究由國家自然科學(xué)基金（41877095和414308537）、中科院前沿科學(xué)研究重點計劃項目（QYZDB-SSW-DQC035）、中國科學(xué)院創(chuàng)新促進(jìn)會人才項目（2015183）共同資助。