第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
19世纪后期以来，全球温度上升了0.5℃（Jones，1993）。大气科学家将其归结为大气中二氧化碳和其他温室气体如甲烷、一氧化二氮，以及工业过程中产生的氯氟烃、氢氟烃、全氟烃等物质浓度的持续上升而引起的地球温室效应，其中，二氧化碳的贡献率占50%（IPCC，1996）。众所周知，许多农业措施可以促进土壤碳富集，提高土壤肥力、土地生产力和环境质量。通过了解土壤碳固持特性，引入更多新措施，如保护性耕作，以改善土壤碳管理。一定土壤类型和管理措施下，土壤有机质达到稳定状态（近平衡状态）一般需要30～50年（Sauerbeck，1993；Greenland，1995）。在抵制全球气候变暖的形势下，一个重要的问题是如何在世界范围内创建一个主要的、确定数量的碳汇，这将对农业、环境和生物多样性产生重要的影响。
我国是一个农业大国，地处北半球中高纬度区域，耕地面积1.3亿hm2，占国土面积的13.7%，占世界耕地面积的1/10（吴传钧和郭焕成，1994）。新中国成立以来，我国土壤肥力水平已得到显著改善。作为土壤肥力最重要指标之一的土壤有机质含量，在大多数地区都有不同程度的增加，中低产地区尤为突出。黄淮海地区中低产田面积比重很大，约占其耕地面积（0.17亿hm2）的70%。20世纪70年代中期开始的区域综合治理，以及土地利用方式和管理措施的变化表明，该区土壤正向有利于碳库容量增大的方向发展。据研究，黄淮海平原的曲周县仅土壤表层有机质含量与1980年相比，其平均值就增加40%以上（张世熔等，2002；孔祥斌等，2003）。黄淮海平原土层深厚，土壤质地层次变化明显。由于历史上黄河、淮河、海河历经数次决堤泛滥，所形成的冲积物较为贫瘠，经过农业开垦种植后土壤得到培肥，粮食产量不断增长。因而，对该区土壤碳库的增容情况和发展趋势进行科学的总结与分析，对我国农业乃至整个经济、社会和环境的可持续发展，具有重要意义。
黄淮海平原集约化农业不仅是高复种指数的补充灌溉农业，同时伴随着以氮肥为主的化学肥料施用量的迅速上升和农业有机肥料投入的比例快速下降，随着粮食作物产量提高的同时，一方面土壤中微量元素不断损耗，土壤肥力在不同程度上出现下降，特征之一表现在土壤有机质的增减不定的变化之中；另一方面，氮肥用量的盲目增加，加之在施肥方法和配套措施上存在很多不合理因素，不仅造成氮肥资源的浪费，导致农业成本上升，降低作物产品品质，而且还增加了氮素由农田排水、径流及渗漏损失造成的地下水和地表水污染，并危及到人体健康（朱兆良，2000；中国农业年鉴，2003）。华北平原人均水资源量仅为450m3左右，远低于国际公认的人均水资源危机线，是我国经济发展过程中受水资源制约最严重的地区之一。农业水资源可利用程度及其高效利用直接影响着作物产量和有机物料的还田量，关系到农业的可持续发展。传统的大水大肥粗放生产不仅带来水资源的浪费，同时还伴随着土壤氮素积累、土壤硝态氮淋失以及碳氮温室气体排放所带来的土壤-大气-水环境的潜在污染。这就要求在提高经济产量的同时，不得不考虑农业可持续性发展的长久之计。
农业土壤有机质的积累，农业氮素淋失对地表水及地下水的污染风险，不仅受种植制度和农业管理措施的影响，同时还受气候环境与地质水文条件的影响。除了进行长期的定位试验研究外，借助计算机模型研究不同种植与管理条件下的土壤-作物系统效应，便于总结试验成果，从机理上加深集约化农业措施对土壤有机质变化的理解，评价不同种植管理方式在不同自然环境下的适应性。