2020, Vol. 37
2. 农业农村部产地环境污染防控重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室, 天津 300191;
3. 天津农学院农学与资源环境学院, 天津 300384;
4. 十堰市农业科学院果茶研究所, 湖北 十堰, 442000;
5. 十堰市经济作物研究所, 湖北 十堰, 442714
2. Key Laboratory of Origin Environmental Pollution Prevention and Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Agro-product Safety, Tianjin 300191, China;
3. College of Agronomy & Resources and Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China;
4. Tea Research Institute, Shiyan Academy of Agricultural Sciences, Shiyan 442000, China;
5. Economic Crop Research Institute of Shiyan City, Shiyan 442714, China
碳在地球表层的循环转化是地球重要的物质循环，也是最基本的物质循环，深入研究土壤碳素的内在转化模式及其相关微生物机理过程，对于认识土壤碳素转化规律、开展合理种植模式、评估氮肥的环境效应以及减少温室气体排放等具有极其重要的科学和实践意义[1]。
随着气候变化的加剧，农田生态系统温室气体（CO2和CH4）排放已成为近年来科学关注的热点，据2006年联合国粮农组织（FAO）统计，全球种植业温室气体排放占人类造成的温室气体排放总量的30%，是重要的温室气体排放源[2]。《京都议定书》中提出，经济发展过程中的碳排放可以通过生态系统碳库的增加得到补偿，农田土壤碳库作为陆地生态系统中唯一可以短时间内受人为干扰和调节的碳库，对于人为调控生态系统碳平衡具有重要的意义[3]。
农田生态系统土壤有机碳来源于原始植被残留、农作物残体及人为施加的有机物料[4]。其循环过程包括碳的固定、储存和释放三部分，农作物通过光合作用从大气碳库中吸收CO2转化为有机碳储存于植物碳库，通过凋落物和秸秆根茬进入土壤，该过程中碳素从植物碳库进入土壤碳库，其中涉及到的重要耕作模式为秸秆还田，同时作物和土壤的呼吸作用又将碳素从植物碳库和土壤碳库释放至大气碳库。特别要指出的是，农田生态系统为人工生态系统，所以人类活动对农田生态系统的碳循环产生了不可忽视的影响[5]。
农田土地利用和土壤管理方式的变化影响土壤结构及土壤有机碳的稳定机制[6-7]。加强农田生态系统相关管理措施、改善种植模式对土壤有机碳的固定及碳损失的减少具有重要意义。土壤有机碳和水分在不同的耕作方式下通常会有很大的变化[8]，这是因为，耕作过程中表层的土壤充分混合，干湿交替的频度和强度增加，土壤的通气性及孔性变好[9]，土壤水分及其温度状况均得到一定的改善[10]，微生物活性提高[9]，加速土壤有机碳的分解。不同种植制度可以改变土壤微团聚体和黏粉粒有机碳占土壤总有机碳的比重，土壤微团聚体和黏粉粒可以对有机碳产生物理和化学保护，从而增加农田土壤有机碳的稳定性[11]。农田作物种植密度的改变会影响根系的密度，从而对土壤根际微生物的数量和活性产生影响，进而影响微生物的碳利用率；另外，根茬的密度变化会影响作物向农田中输入有机质的含量，从而影响土壤有机碳含量[12]。研究不同种植模式对土壤理化性质及有机碳质量的影响，有利于优化农田种植模式，实现可持续发展。集约化农业生产过程中，氮肥的过量施用引发的环境负效应已经严重制约了农业的可持续发展，这就对我国农业提高资源利用率，增加土壤碳汇提出了新的要求[13]，施肥方式的优化对满足这一要求具有重要意义。土壤呼吸是大气CO2排放的重要来源之一, 主要包括根系自养呼吸以及土壤微生物的异养呼吸, 其中施肥是影响土壤呼吸的重要因素[14]。施肥影响农田土壤固碳的机制主要有以下两个方面：一方面，对作物的营养环境进行改善，提高作物的光合效率，进而使作物的生物量增加，提高了植物残体对农田土壤的输入，增加了土壤有机碳的输入；另一方面，施肥可以影响农田土壤中微生物的数量、活性以及种群分布，进而影响其呼吸作用，对农田土壤碳排放产生影响[15]。
研究表明，碳循环在水-土-气-生相互作用下的重要纽带为土壤CO2[16-18]。可降解有机碳在地下水中的溶解率很低，化能自养型微生物为了满足自身所需的碳源，需要吸收CO2或无机碳，且在土壤含碳量逐年变化中，深层土壤碳库通过土壤剖面的侧向气体排泄（主要是CO2）及降雨-入渗-排泄过程密切地与大气进行碳交换，为较活跃的碳库[18]。此外，土壤微生物区系（数量、多样性及种群结构等）在推动土壤有机碳周转及温室气体排放方面发挥着重要作用。微生物的生物量能够在一定程度上反映土壤有机碳中具有活性的部分的含量[19]，同时具有活性的碳的输入可以促进微生物的分解转化及残留物的稳定[20]。因此，研究不同农田管理措施背景下农田生态系统微生物动态对了解农田土壤碳周转动态具有重要意义。
由于碳周转过程对农田管理措施的反馈机制具有复杂性，模型被认为是研究农田生态系统碳循环及碳周转过程最有效的手段[21]。生态系统碳模型的产生是从20世纪中期开始的[22]，发展经历了三个阶段：20世纪六七十年代的碳平衡模型，20世纪80年代的植被-气候关系模型，以及20世纪90年代至今生物地球化学循环模型。文中笔者主要综述了国内外的主流碳模型，以及国外碳模型在国内的应用现状，并提出发展的不足和建议。
本文从不同的农田管理措施着手，对不同农田管理措施下土壤有机碳周转及微生物变化的研究现状进行总结，并提出了未来发展方向。
1 农田管理措施对土壤碳储量的影响农田土壤有机碳库是陆地土壤碳库的重要组成部分[23]，对农田土壤有机碳的研究已成为全球气候变化研究的重点[24]。土壤有机碳是土壤肥力的核心物质，农田种植管理措施通过影响土壤物理、化学、生物性质影响土壤有机碳的动态，进而影响土壤肥力[25-26]。
1.1 施肥方式对农田土壤碳储量的影响土壤有机碳和作物产量表现为协同效应[27]，尤其在作物产量和施肥水平较低的情况下，施肥可以通过增加作物产量来提高土壤有机碳的含量[28]。有研究证明，适度的灌溉和施肥可以帮助改善非洲小型农业土壤的碳储量[29]，这一结论在澳大利亚的牧场土壤中也得到证实[30]。但过量使用氮肥可能降低土壤有机碳含量[31]，也就是说土壤有机碳库与施氮量存在阈值效应。
不同的施肥方式对土壤碳库积累的影响存在差异。黄晶等[32]研究表明无机肥配施有机肥的方式会促进农田生态系统的碳汇功能。田康等[33]的研究结果显示，不同施肥措施均能提高农田碳储量，但是不同处理措施下土壤有机碳的增幅不同，其中有机肥与无机肥配施土壤有机碳增速最快（0.38 g·kg-1·a-1），而单施磷肥增速最慢（0.032 g·kg-1·a-1）。
不同的碳组分变化对不同施肥处理的响应存在差异。钟杨权威[34]的研究表明，不同施肥处理下轻组分碳和重组分碳含量差异不明显，但是可溶性碳在氮量较高的处理中显著降低，且在深层土壤中变化比较明显；而易氧化碳含量在施氮量90 kg·hm-2处理达到峰值，之后随施氮量的增加易氧化碳含量开始降低，与可溶性碳相反，该变化在浅层土壤中更为突出。
从以上论述得出，不同的施肥方式影响了土壤碳库的积累速度，对不同碳组分变化的影响也存在差异，但施肥量与土壤碳库存在阈值效应，应注意合理施肥，过量施肥并不利于农田土壤碳库的积累。
1.2 种植制度对农田土壤碳储量的影响种植制度主要包括种植方式和种植密度。种植方式的改变是影响农田碳储量变化的一个重要因素[35]。以绿洲土壤有机碳为例，不同种植方式主要是对土壤总有机碳（TOC）、活性有机碳（AOC）和惰性有机碳（NOC）产生影响[36]。近年来，绿洲区内大量种植制种玉米，而普通玉米和小麦的种植比例大幅下降，这种方式影响了农田碳储量[37]。主要原因是与普通玉米相比，当地制种玉米的秸秆主要运至养牛场或者饲养自家奶牛，且制种玉米的种植密度比普通玉米低，所以导致农田地上部分有机质归还量降低，土壤中TOC、AOC、NOC的含量随之降低[37]。而相比小麦来讲，虽然制种玉米地有机质的归还量变化不大，但是玉米根茬归还到土壤后形成的土壤有机质高于小麦根茬，所以土壤中TOC、AOC、NOC的含量会相应升高[38-39]。有研究发现，随着种植密度的增加农田土壤碳素含量呈现先升高后降低的趋势，如赵海超[40]以春玉米为例研究了种植密度对农田碳储量的影响，发现低密度玉米种植有利于累积犁底层土壤有机碳，而高密度玉米种植有利于耕层土壤碳素积累。
因此，合理的种植方式和种植密度均有利于农田土壤碳储量的增加，调整农田产业结构是增加农田碳储量的有效途径。
1.3 耕作模式对农田土壤碳储量的影响Lal等[41]对全球碳固定进行了分析，揭示了改变农田管理措施对土壤碳固定的影响，并强调了免耕的影响。有研究指出，免耕有利于我国华北平原小麦-玉米两熟农田生态系统土壤有机碳储量的累积[42]，在美国的俄亥俄州免耕玉米地的有机碳含量比常规耕作高35%~46%，说明免耕的耕作模式提高了土壤有机碳含量，是农田土壤固碳的重要措施[43]。
与其他农田管理措施相比，秸秆还田是增加土壤有机碳最有效的措施[44-45]，在印度等土壤有机碳水平较低的发展中国家表现更为明显[46]。
另外，笔者重点关注了不同耕作模式对农田生态系统碳收支平衡的影响。其中，秸秆还田与否是影响农田生态系统成为碳源还是碳汇的重要因素[47]。冬小麦-夏玉米的农田生态系统在免耕秸秆覆盖的保护性耕作措施下比传统耕作模式碳排放减少168.78 kg C·hm-2，提高了农田的固碳效率，且免耕秸秆覆盖减少了机械投入，增加了小麦-玉米农田生态系统经济效益[48]。
因此，免耕秸秆还田的保护性耕作模式是增加农田土壤碳储量的有效手段，应该得到推广。然而，单一的耕作模式并不利于农田土壤的可持续发展，对于不同的土壤和环境所适合的耕作模式不同。目前，农田土壤有机碳对耕作管理模式的相关研究还具有不确定性，有待于进一步开展相关深入的研究，以探索多种合理的耕作模式。
2 农田管理措施对含碳温室气体排放的影响农田生态系统是温室气体重要的排放源，FAO（2014）报道指出，来自农业源的温室气体排放已从2001年的47亿t CO2当量，增加到2011年的53亿t，以0.6亿t·a-1的速度在增加，且来自种植业、畜牧业等农业源的排放量还在持续增加。早在2000年，Schlesinger等[49]就指出常规耕作会导致农田生态系统CO2排放增加。我国农业源温室气体总排放量为158 557.3万t CO2当量，比1980年增长52.0%[50]，以2000年为例，其农业源排放量占全球总排放量的17%[51]，对全球农业源温室气体贡献较高。美国罗代尔研究所始于1981年的一项长期研究结果表明，有机农业具有较高的能源使用效率和经济效益，常规农业比有机农业多排放40%的温室气体[52]。基于农田温室气体排放持续增加的严峻性，笔者着重从施肥方式、种植制度、耕作模式三个角度总结农田管理措施对农田温室气体的影响。
2.1 施肥方式对农田含碳温室气体排放的影响我国华北平原太行山前冬小麦农田土壤是CO2的排放源[53]，而施肥和灌溉是引起各处理温室气体排放差异的主要原因，且增施氮肥以及灌溉能够促进土壤CO2的生成和排放[54]。这一结论在伊朗的大豆实验中同样成立，该试验表明施肥处理的大豆田CO2排放水平高于非施肥处理[55]。
黄淮海平原小麦-玉米轮作实验表明有机肥的施用可以增加土壤中CO2的释放，其原因是施加有机肥改善了土壤的理化性质[56]。小麦、玉米季的有机肥无机肥配合施用处理农田均表现为CO2的“汇”[32]。
不同肥料的施加对温室气体影响不同，有研究显示高P和高K浓度、产量及其可用性与低CO2产生率相关，而高C和高N产量与高CH4产生率有关，较高的C:K和N:K与增长的CO2排放量呈正相关，而有效P和CH4产量呈负相关。平均来说，沿海地区有效P含量、pH和盐分比内陆地区更高，有效C:P和CO2产生率较内陆地区低，而且沿海稻田CH4排放量比内陆稻田略低[57]。
另外，有机肥已被证明能促进农业土壤中CH4的吸收，荷兰的一项研究显示通过堆肥改良获得了最优的温室气体平衡[58]，该研究认为堆肥的营养成分并不十分丰富，当作为单一肥料施用时，可能会导致作物产量下降。因此将堆肥与更富营养的有机改良剂（污泥、沼液）结合使用，可以在保持作物产量和减少温室气体排放之间进行权衡[58]。
所以应该适量提高磷、钾两种肥料的施用而降低氮肥的施用，以降低农田含碳温室气体的排放，同时结合经济效益，探究最佳施用比例，减缓温室效应。
2.2 种植制度对农田含碳温室气体排放的影响国内关于种植制度对农田含碳温室气体的影响研究主要集中在长江中下游的水田，对旱地的研究还不成熟，有待于进一步研究。不同的种植制度下农田温室气体排放表现出明显的差异，通过对不同种植制度的比较，有利于选择最佳的种植模式减少当地农田温室气体的排放，在实现经济效益的同时提高环境效益[59-62]。
展茗[59]在湖北开展的研究中通过设置三种稻作模式（稻鸭复合种养-RD、间歇灌溉-RW、常规淹水灌溉-CK）研究了稻田温室气体碳排放的差异，发现虽然RD、RW与CK相比都能显著降低CH4排放量，但是RW降幅更大，达到36.9%，而RD降低了19.95%，但是，RW模式的CO2排放却比RD和CK增长了29.4%，所以综合考虑认为稻鸭复合种养的模式更有利于减少该地区的温室气体排放。
江长胜[60]在川中丘陵区的研究中发现水稻种植本身会促进稻田CH4的排放，有水稻种植的冬灌田的CH4排放是无水稻种植的冬灌田的3倍，但是不同的种植制度可以减缓这一效应，与常规冬灌田相比, 采用冬灌田强化栽培、稻-麦轮作和稻-油轮作的种植方式均能降低稻田CH4排放量，其中稻-油轮作降幅最大，达到57.8%。
而美国的一项研究也证明，轮作可以减少农田CO2的排放，玉米大豆轮作与单独的大豆或者玉米连作相比，能减少温室气体排放，且能增加产量[61]。
改变传统作物布局有利于江汉平原地区稻田温室效应的降低，新型种植模式的全球增温潜势（Globe warming potential, GWP）均显著低于同条件下的传统模式, 西瓜-玉米套作、稻虾混作和薏苡单作模式夏季排放的CO2、CH4产生的全球增温潜势分别为水稻单作的18.97%和57.96%[62]。
综上，发展轮作和间作的种植模式与传统单一作物种植相比可有效减少农田含碳温室气体的排放，而且不同作物的组合种植对含碳温室气体排放的降幅不同，应对不同种植方案进行筛选，综合经济效益和环境效益选取最优方案。
2.3 耕作模式对农田含碳温室气体排放的影响秸秆还田可直接导致含碳温室气体排放的年度差异。Lal[63]报道指出耕作措施、化肥施用、杀虫剂施用、灌概、作物播种收获过程的机械作业、稻秆还田管理等农田耕作措施均对温室气体的排放具有重要的影响。可见，发展合理的农田耕作模式，是有效减缓农田生态系统温室气体排放的重要举措。
秸秆还田和保护性耕作措施下，农田依然表现为CO2和CH4的“源”。在日本七个行政区的实验表明，北方由于休耕时期气温低，水稻收获后留下的秸秆、根茬、根系分解缓慢，在水下种植时期，这些残留成了CH4产生的基质，因此增加了CH4产生量，表现为CH4排放的“源”[64]。秸秆覆盖和垄作处理虽然增加了土壤的固碳能力，但同时也增加了土壤投入碳的排放[46]，而且秸秆覆盖有利于CO2的排放，全量还田比不还田高14.4%[65]，综合表现为农田生态系统含碳温室气体排放的“源”。
但与传统耕作模式相比，保护性耕作措施有利于降低农田生态系统的温室效应。有研究证明，常规耕作总温室效应均大于保护性耕作，免耕温室效应最小，常规耕作秸秆覆盖量最大[66]。王丙文[65]研究发现常规耕作农田CO2年度排放平均比保护性耕作多2.43 t·hm-2·a-1，CO2排放在保护性耕作农田全年总温室效应中占97.4%，而CH4的排放只占0.27%。
所以降低农田温室气体的温室效应，主要是降低农田CO2的排放，保护性耕作具有优势，可有效地降低农田生态系统的温室效应。
3 农田管理措施对土壤微生物的影响土壤生物多样性，特别是土壤微生物多样性已成为近年来农田生态系统研究的一个热点[67]，已有众多研究利用分子生物学方法研究微生物的种群动态，以揭示土壤生物在土壤质量特别是土壤健康乃至生态功能保育中的作用。Paul等[68]基于21年的长期研究结果提出，欧洲有机农业提升了土壤肥力和微生物多样性，土壤微生物是土壤碳循环的重要参与者，探讨施肥、秸秆还田、种植模式等农业措施下的土壤微生物过程，对揭示土壤碳素循环及转化利用模式具有重要的科学意义。
耕作措施的变化可以通过影响土壤团聚体的物理特性等土壤性状，使土壤微生物的生境发生改变，进而影响其参与的碳循环过程。例如，研究表明有机农业系统普遍表现出较高的生物多样性和土壤微生物量，对碳素物质有较强的分解转化能力[69]。农田耕作管理措施通过影响微生物数量及种群结构，来影响土壤微生物对土壤有机碳的积累和转化，基于Lavelle等[70]和Wall等[71]的模型理念，可以说，不同时间空间维度微生物过程的叠加决定着农田土壤固碳过程，土壤地下微生物的活性控制着土壤有机碳的稳定性[72]。同时，土壤微生物较其他土壤肥力指标更能及时、敏感地反映土壤受到扰动后的物理、化学性质及生物学特性的细微变化，土壤微生物是评价农田管理措施的早期灵敏指标[73]，是正确了解不同管理措施对农田碳循环过程影响的先决条件。
3.1 施肥方式对土壤微生物的影响不同的施肥方式对土壤微生物的种类、数量以及丰富度的影响是不同的。
有研究显示，有机肥单施或有机肥无机肥配合施用的施肥模式比单施化肥更能增加土壤的微生物量碳含量，且该变化随着种植年限的延长会更加明显[74]，主要原因是有机肥的施加改善了土壤的理化性质，增加了土壤有机碳的含量，为微生物创造了更加适宜的生存环境，从而增加了微生物量碳的含量[75]。这一结论在西班牙东南部的柑橘园实验以及印度北部的小麦田实验也得到证实[76-77]。
有机肥和无机肥配施的比例不同对土壤微生物的丰富度影响也不相同，在双季稻的主产区，采用大麦-双季稻种植方式，30%有机肥+70%化肥（LOM）、60%有机肥+40%化肥（HOM）、化肥（MF）、秸秆还田+化肥（RF）、无肥对照（CK）的五种施肥模式，在大麦成熟期Richness和Shannon指数大小顺序均表现为HOM > LOM > RF > CK > MF，说明有机肥比例的提高有利于土壤中微生物的丰富度提高。且该实验还表明氨基酸类和糖类为各施肥处理大麦根际土壤微生物群落利用的主要碳源, 不同施肥处理的土壤微生物碳源利用的种类存在明显的差异[78]。
此外磷素的施用对土壤微生物的特性有显著影响。梁楚涛等[79]在黄土高原丘陵区进行不同施肥处理发现，在耕作层中, 只施氮肥对土壤微生物特性的影响很不明显；而单施磷肥对微生物呼吸强度及部分磷脂脂肪酸含量的影响比率为11.4%~54.0%。西南大学紫色土肥力的实验也发现，当土壤磷素严重缺乏时，水旱轮作水稻土壤的Chloroflexi相对丰度也会显著下降[80]。
综上所述，长期氮磷有机肥混施有助于提高土壤微生物的特性，应该适量提高有机肥和磷肥的施用比例，进而改善农田生态系统的稳定性和健康水平。
3.2 种植制度对土壤微生物的影响不同的种植制度会对土壤微生物的群落结构和生物多样性产生影响。
连作是目前我国农业生产主要的种植制度，张洋等[81]在黄瓜连作的实验中发现，黄瓜根际微生物的数量会随着连作茬数的增加而呈现增长的趋势，但其多样性和丰富度却会随着连种茬数的增加而降低。随着连作茬数的增加，连作障碍的表现也会越来越明显。吴宏亮等[82]在砂田西瓜连作的种植中发现了这一现象，并针对这一现象设计了研究西瓜连作（对照）和西瓜-花豆、西瓜-辣椒、西瓜-南瓜3种轮作方式对砂田土壤微生物群落和理化性状影响的实验，发现与对照相比3种轮作方式均能克服西瓜的连作障碍，可通过改善土壤微生物的区系结构增加土壤微生物的多样性，其中以西瓜-辣椒轮作效果最为明显。
关于不同种植制度对生物多样性的影响，罗影[83]在甘肃设置了胡麻-小麦轮作、胡麻||小麦间作、胡麻连作和撂荒处理4种处理模式，研究发现细菌的Shannon指数表现为轮作 > 撂荒 > 间作 > 连作, 真菌的Shannon指数表现为轮作 > 间作 > 撂荒 > 连作。所以对于微生物的多样性而言，轮作是比连作更有利的种植制度，另外，滁菊小麦的轮作实验以及苜蓿和作物的轮作实验均证明，轮作与连作相比更有利于提高微生物量碳的含量[84-85]。
单从轮作来讲，不同的轮作结构对土壤微生物的影响也不相同，这一结论在吴宏亮等[82]的西瓜轮作实验中已有体现。
不同种植制度短时间内对土壤微生物的群落结构以及多样性影响不显著，但在长期实验中表现了显著影响[86]，因此种植制度对农田土壤微生物的影响与实验周期长短密切相关。
所以，间作和轮作均可提高土壤中微生物的多样性，且轮作效果比间作更显著，不同的轮作模式对微生物的种类影响不同，但是这些影响在短期内并不显著，需要长时间轮作才能显现。
3.3 耕作模式对土壤微生物的影响保护性耕作与传统耕作相比对微生物的整体活性、生物多样性、群落结构以及碳源利用情况均有积极影响。
有研究显示，底土耕作和秸秆还田改善了土壤的基本理化性质和生物学特性，促进了土壤有机碳含量的增加，显著提高了土壤微生物碳源的代谢功能和代谢多样性，最终解决土壤退化问题[87]。
张旭[88]基于长期定位实验发现，免耕秸秆覆盖能够显著提高土壤微生物的整体活性，作物播前和收后土壤微生物的整体活性在各处理下表现为免耕秸秆覆盖 > 免耕 > 传统耕作秸秆还田 > 传统耕作。秸秆还田显著增加了土壤微生物的生物多样性及其数量，并对其群落结构组成产生影响。但是，在玉米-冬小麦-大豆的轮作中发现，该影响受作物类型和生育期的调节[89]。另外，保护性耕作对土壤微生物数量的影响也与土层深度有关，深松和免耕主要有利于提高0~10 cm的微生物数量，而对10~20 cm土层没有显著影响[90]。加拿大的一项覆盖作物研究显示，免耕仅在0~5 cm土层中增加了土壤的微生物量碳[91]。
免耕秸秆覆盖可以显著提高土壤微生物对碳源的利用能力，在玉米-冬小麦-大豆的轮作中，免耕措施下玉米和冬小麦种植期土壤微生物对氨基酸类、聚合物类、羧酸类以及糖类碳源的利用能力得到提高，而秸秆覆盖显著提高了大豆根际土壤微生物对胺/氨基化合物类和羧酸类碳源的利用率[89]。
所以，保护性耕作措施有利于微生物数量、活性以及生物多样性的增加，这一影响受作物类型和生育期的调节，保护性耕作也可提高微生物对碳源的利用能力。
4 国际主流碳模型在我国应用概况迄今为止，国际主流碳模型主要有：①英国洛桑实验室Jenkinson 1977年开发的RothC模型[92]，该模型能较好地模拟不同施肥模式对农田有机碳的变化，该模型的主要优点是所需参数简单易得[93], 但是对于秸秆还田后土壤有机碳的变化，该模型的估测值偏高[94]；②美国科罗拉多州立大学Parton等1987年开发的CENTURY模型[95]，该模型基于生态过程，对不同情境下土壤有机碳的变化都可以预测，结果相对精确，但是该模型比较复杂，所需参数多且不易获取，且受区域尺度限制，适用于空间度较小的土壤有机碳的推测[96]；③美国New Hampshire大学李长生1992年开发的DNDC模型[97]；④隶属澳大利亚联邦科学与工业组织和昆士兰州政府的农业生产系统研究组（Agricultural Prodution System and Industrial Research Unit，APSRU）1996年开发的APSIM模型[98]，APSIM模型可以在复杂的条件下敏感地预测作物生产效益和经济风险，但是模型系统庞大复杂[99]；⑤美国德克萨斯农工大学黑土地研究中心和美国农业部草地、土壤和水分研究所1983年共同研发的EPIC模型[100]，该模型可用于分析农田土壤中碳储量的年变化[101]，但是对极端变化的天气敏感性较差[102]。
这些模型在我国都有应用：在北方旱作地区，目前主要应用RothC模型[92]；西北部干旱区主要应用的是CENTURY模型[95]和EPIC模型[100-101]；东部旱作农田主要应用CENTURY模型；东北地区使用的模型种类较多，主要是APSIM模型[103]、DNDC模型[97]、EPIC模型[100]；另外东北黑土和潮土也应用RothC模型[104]，东北黑土和冻融层主要应用CENTURY模型[105-106]；华北平原地区主要应用CENTURY模型[107]、DNDC模型[108]、APSIM模型[98]、EPIC模型[100]；黄土高原地区主要应用RothC模型[109]、DNDC模型[110]、APSIM模型[111]、EPIC模型[102]；华东地区和西南地区主要应用DNDC模型[112]、EPIC模型[100]；中南地区主要应用RothC模型[113]、CENTURY模型[107]和EPIC模型[100]。关于温室气体的监测，笔者重点关注了DNDC模型，发现DNDC模型能较好地模拟CH4排放峰值的变化规律，但对于其季节累积排放量观测结果不太理想，明显低于田间观测值，当田间施氮量不足或者完全不施氮时，模拟效果较差[66]。
国外碳循环模型的开发已经日趋成熟，在我国的应用也越来越广泛，但是由于国内外在气候、环境、水文、耕作模式、施肥方面的差异，国外的碳循环模型在我国并不能完全适用。20世纪80年代以来我国的学者在陆地生态系统碳循环方面也做出了一些成果，其中以静态模型的开发为主，其中适用于农田生态系统的主要有黄耀的Agro-C模型[114]，动态模型主要是在国外模型的基础上做出修改以更好地适用于我国的陆地生态系统，其中适用于农田生态系统的代表模型是童成立的SCNC模型[115]。Agro-C模型主要用于农田土壤有机碳的年均增加量和密度增加速率[116]，但是由于其简化碳流动的方法并不恰当，导致实际应用时模拟值与农田土壤真实值之间产生偏差[117]。SCNC模型主要用于模拟旱地和水田不同管理措施下土壤有机碳（SOC）的动态变化，其中对旱地模拟的准确性显著高于水田，尤其对排水能力差、地下水位高的稻田模拟效果比较不理想[118]。
就目前碳循环的研究现状来看，笔者认为应着重加强对农田生态系统碳循环动态模型的研究，以便观测农田生态系统有机碳含量的动态变化。对于国外模型的应用，更应该考虑其具体使用地点的综合情况，结合我国农田生态系统特点对模型进行完善，以达到更有效的模拟效果。
5 展望有机肥和无机肥配合施用是目前比较科学的施肥方式，间作、轮作与单作相比，在维持生态系统稳定性方面更占优势，免耕和秸秆覆盖的保护性耕作模式无论对增加农田土壤碳储量，还是减少温室气体的排放，以及提升土壤微生物的整体活性、生物多样性、群落结构、碳源利用率均有积极影响。目前我国关于农田生态系统碳循环的研究已经取得较大的进步，研究体系日趋完善。然而，虽然农田生态系统是一个人工生态系统，但它与自然环境息息相关，这就注定了其研究的复杂性。关于农田生态系统碳循环的研究，笔者认为在以下几方面尚存在不确定性，并提出了下一步的研究展望：
（1）施肥量与土壤碳库之间的关系研究不够全面。目前关于土壤碳库与施肥的研究主要集中于探究施肥方式与土壤碳库之间的关系，而关于施肥量与土壤碳库之间的定量研究较少且不够全面。施肥量与土壤碳库存在阈值效应，且不同类型土壤对施肥量的响应存在差异，可以结合模型模拟的方法针对不同类型土壤进行分析，探究其最适施肥量以指导农业生产。
（2）碳循环模型对土壤有机碳的定量研究不足。当前的碳循环模型更注重土壤有机碳定性研究，而土壤有机碳的定量研究模型更有实用价值，应进一步探索。另外不同类型的农田对土壤有机碳含量变化的响应是不同的，碳循环模型也应进一步分类，探索适用于不同类型土壤更为具体的碳循环模型。
（3）碳循环研究成果转化为经济效益的研究较少。碳循环和粮食产量息息相关，但是关于它们之间联系的研究较少，今后的研究中，应该着重探讨碳循环与经济效益之间关系，并切实制定提高经济效益的方法，指导生产实践。
（4）缺乏统一的观测方法，研究成果共享性较差。目前碳通量的主流观测方法主要有透明箱法和涡度相关法，另外还有大型蒸渗仪方法和波文比-能量平衡方法等，不同的观测方法所得出的结论之间存在误差，不具有可比性，且共享性较差，应该加强合作，建立统一的观测方法和网络链接，保证数据资料的共享性和连续性，为农田生态系统碳循环的研究提供可靠的数据基础。
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