农田作为陆地生态系统的重要组成部分,具有固碳周期短、储存量大的特点,是全球碳库中最活跃的部分,其含量的轻微变化都可能引发大气CO2的强烈变化。近年来,伴随全球气候变化以及低碳农业的提出和进一步实施,量化分析农田生态系统有机碳迁移和固碳潜力成为新的关注点。为进一步明确固原半干旱区农田生态系统固碳潜力及其与增产的协同效应,探求农田生态系统有机碳的贮存、迁移规律及对作物生产的影响,以期为准确评估农田生态系统养分利用、增强农田生态系统固碳潜力提供数据支持,本研究于2017-2019年连续三年在固原半干旱区彭阳县白阳镇、城阳乡和草庙乡,采用农田生态系统调查取样的研究方法,在地膜玉米和马铃薯成熟期进行土壤与植株整株取样,围绕农田耕层土壤和植株有机碳含量以及迁移规律,研究耕层土壤有机碳密度、土壤有机碳储量、土壤固碳潜力和作物固碳潜力。得出以下研究结论:(1)固原半干旱区耕层土壤有机碳含量水平较低,基本处于五级标准,属于缺乏水平。调查区域地膜玉米耕层土壤有机碳在3.00-13.00g/kg之间,其中14.29%处于极度缺乏水平,80.00%处于缺乏水平,5.71%处于四级标准,属于中等偏下水平。马铃薯土壤有机碳含量为4.00-13.00g/kg,8.82%属于极度缺乏水平,88.24%属于缺乏水平,2.94%属于中等偏下水平。说明耕层土壤有机碳含量随土地利用和作物种类的变化有一定程度的差异,但差异不显著。马铃薯耕层土壤有机碳含量相对高于地膜玉米,但差异不显著。(2)固原半干旱区耕层土壤有机碳含量小于13.00g/kg时,地膜玉米和马铃薯各个器官有机碳含量的增加与耕层土壤有机碳含量的增加呈正相关性。但超过这个阈值后,植株有机碳含量积累速度逐渐趋于平稳。耕层土壤有机碳相同条件下,地膜玉米各器官有机碳含量之间表现为:籽粒>茎>叶片>根,马铃薯表现为:马铃薯>茎>叶片。(3)地膜玉米耕层土壤有机碳含量介于3.00-13.00g/kg范围之间,土壤有机碳含量每增加1 g/kg,地膜玉米增产0.27%-48.20%;马铃薯耕层土壤有机碳介于4.00-13.00 g/kg范围之间,土壤有机碳含量每增加1 g/kg,马铃薯增产2.53%-31.98%。伴随土壤有机碳含量增加,作物增产逐渐趋于平稳趋势。地膜玉米(根、茎、叶)平均有机碳含量250.00-500.00g/kg时,有机碳含量每增加50g/kg,实际产量增加5.97-211.26%。马铃薯(茎、叶)平均有机碳含量介于250.00-400.00 g/kg范围之间时,有机碳含量每增加50.00 g/kg,每株薯块减少0.28-1.56块,每块薯重增加19.89-28.20 g。马铃薯植株(茎、叶)平均有机碳含量超过450.00 g/kg后,每块薯重趋于减少趋势。表明,马铃薯植株(茎、叶)平均有机碳超出450.00g/kg后,更多养分流向植株,不利于作物产量的积累。玉米籽粒有机碳含量介于350.00-650.00g/kg之间时,籽粒有机碳含量的提升,对玉米产量呈积极的正效应。马铃薯有机碳含量介于250.00-400.00 g/kg之间时,马铃薯每株块数持续下降,每块薯重波动上升,实际产量呈波动下降趋势。总体来看,有机碳作为农业可持续发展的基础,在一定阈值内,有机碳积累对作物产量呈现积极的正效应,而超出这个阈值,将不利于产量的形成和积累。(4)固原半干旱区地膜玉米和马铃薯耕层土壤有机碳密度分别为1.81 kg/m2、1.79kg/m2。地膜玉米耕层土壤有机碳储量约为1.63×106g,马铃薯耕层土壤有机碳储量约为1.29×106g。从年际关系来看,2017-2019年间,耕层土壤有机碳密度不断上升,耕层土壤有机碳储量增长了 0.17×106 g,增长率为5.82%,平均每年增长2.91%。农田作物植被碳储量的平均值为50.44×104t,地膜玉米和马铃薯作物植被碳储量分别为25.61×104t和24.83×104t。地膜玉米和马铃薯作物植被碳密度分别为3.03 t/hm2和2.98 t/hm2。因此,我国半干旱地区农田生态系统可能存在较大固碳潜力。以上结论为2017-2019年对固原半干旱区农田试验研究所得,为系统研究半干旱区农田生态系统有机碳迁移和固碳潜力,以及进一步提升研究结论的准确性,需要在更广泛区域以及更长时间尺度上做长期定位研究。研究表明,增加耕层土壤有机碳含量来,可以显著提高固原半干旱区作物生产水平和农田生态系统碳储量。可以看出,保持较高水平的土壤有机碳,对土壤培肥和农田生态系统固碳具有双重作用,是发展可持续和环境友好型农业的重要保障。