农业管理驱动下土壤无机碳动态变化：来自中国田间试验的证据及其对碳平衡与粮食安全的意义

本研究针对农业实践中土壤无机碳(SIC)动态变化不明确的问题，系统分析了中国54项田间试验数据。结果表明，农业措施整体导致SIC储量下降3.37%，而土壤有机碳(SOC)和总碳(TC)储量分别增加15.41%和6.80%。研究发现有机无机肥配施能优化SIC与作物产量的平衡，尤其在干旱地区效果显著，为制定兼顾碳固存与粮食安全的农业管理策略提供了重要科学依据。

　　

土壤作为陆地生态系统中最大的碳库，在全球碳循环和气候变化中扮演着关键角色。它包含土壤有机碳(SOC)和土壤无机碳(SIC)两大组分，其中2米深土层中储存着约2400 Pg C的SOC和超过2300 Pg C的SIC，两者储量近乎相当。然而，现有研究主要聚焦于SOC对大气CO₂浓度升高的缓解作用，而SIC在气候变化动态中的作用长期被忽视。

令人担忧的是，近期研究表明集约化农业已在人类寿命时间尺度上将SIC以CO₂形式释放到大气中，显著改变了SIC循环。被长期忽视的SIC经历了严重损失，例如化肥导致的土壤酸化每年消耗全球农业生态系统中约7.5 Tg的SIC。更严重的是，这种SIC损失被认为是不可恢复的，因为钙(Ca²⁺)和镁(Mg²⁺)阳离子与硝酸盐一起被淋失，没有其他阳离子来捕获根系呼吸和微生物分解释放的CO₂。

碳酸钙(CaCO₃)影响着土壤化学、物理和微生物特性以及生产力。其溶解降低了土壤缓冲能力，导致碱性阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺、K、Na)的淋失。随着CaCO₃的流失，土壤团聚体稳定性下降，导致结构退化、通气性差和透水性降低。因此，CaCO₃对于维持有利于植物生长和微生物功能的条件至关重要。

自1980年以来，中国的耕作方式发生了显著变化，特别是在耕作、施肥和秸秆管理方面。化学肥料特别是氮肥的广泛使用导致中国主要农业区土壤酸化。过去30年间，中国的土壤酸化速率从2.6 keq H⁺ ha^?1 yr^?1增加到7.6 keq H⁺ ha^?1 yr^?1。土壤通过碳酸盐矿物等缓冲物质抵抗酸化，这些物质在中和过程中溶解并以CO₂形式流失。因此，在持续酸化作用下，SIC逐渐减少并可能最终完全耗竭。

然而，不同肥料对SIC的影响各异，且当前研究主要集中在特定区域或个别管理实践上，导致对SIC动态的理解零散且不确定。迫切需要全面深入的研究来理解SIC变化，特别是关于各种农业实践、土壤特性和气候条件的变化。

为此，研究人员在《Geoderma》上发表了一项综合性研究，采用整合分析方法探讨了各种农业实践对土壤碳库的影响，包括SOC、SIC、总碳(TC)储量和SIC/SOC比值，重点关注中国的SIC动态。

研究采用了系统的文献检索和meta分析方法，从Web of Science和中国知网数据库收集了54篇符合标准的文献。数据提取包括均值、标准差和样本量等统计信息，以及地理位置、气候变量、初始土壤性质等环境因子。通过随机效应模型计算加权平均响应比，使用随机森林(RF)模型评估环境/农艺变量的相对重要性。研究还进行了异质性分析、发表偏倚评估和正态分布检验确保数据可靠性。

研究结果表明，农业措施对土壤碳库的影响存在显著差异。整体而言，与对照相比，农业实践显著降低了SIC储量(3.37%)，但增加了SOC储量(15.41%)和TC储量(6.80%)。具体而言，矿物肥料vs无肥料(MF-NF)、氮肥vs无氮肥(NF-NNF)和秸秆还田vs秸秆移除(SRI-SRR)分别显著降低了SIC储量15.59%、13.67%和7.37%。相反，有机无机肥配施vs无肥料(OMF-NF)、有机无机肥配施vs矿物肥料(OMF-MF)、生物炭vs无生物炭(BC-NBC)和覆盖vs无覆盖(M-NM)分别显著增加了SIC储量5.14%、6.11%、17.88%和5.07%。

3.1. 数据集概述

研究包含了54篇经过同行评审的研究，提供了1353对观测数据。效应大小 across studies followed a normal frequency distribution，表明数据集具有同质性。SIC储量数据显示出显著的异质性，但大的安全系数表明没有发表偏倚。

3.2. 管理实践对土壤碳库的整体影响

土壤碳库变化可分为三种模式：SIC和SOC协同增加；SOC增加与SIC减少的权衡；以及对SOC或SIC库的单独影响。无机肥和秸秆还田可能导致完全或部分抵消土壤碳固存。

3.3. 不同管理实践下SIC的时空变异

管理实践对SIC储量的影响存在显著差异，总体呈下降趋势。具体而言，OMF-NF随着试验持续时间逐渐增加SIC储量，而NF-NNF导致持续下降趋势，特别是在约20年后急剧下降。SIC储量变化表现出显著的区域变异，在东北和华东地区观察到严重的SIC损失。

3.4. 不同条件下SIC储量对管理实践的响应

管理实践对SIC储量的影响在不同环境条件下存在显著差异。MF-NF、NF-NNF和SRI-SRR在大多数气候条件下降低了SIC储量，在较冷地区(MAT < 10 ℃)下降幅度最大。相反，其他实践如OF-NF、OMF-NF、OMF-MF等通常在干旱地区(HI ≤ 60)增加了SIC储量。

3.5. 不同管理实践下SIC储量变化的主要控制因素

随机森林模型评估显示，土壤深度是影响SIC储量变化的关键因素。对于M-NM，氮肥输入是最重要的变量；对于NT-CT，土壤有效养分是主要因素；试验持续时间显著影响I-NI下的SIC储量响应。

3.6. 管理实践引起的SIC储量变化与环境变量变化的关系

管理实践引起的SIC储量变化与土壤pH、Ca、Mg和PIC呈现显著的线性关系，但与LIC和SOC的相关性不显著。

研究结论表明，长期农业实践导致了SIC的广泛下降，但在不同实践和地区间存在变异。无机肥、氮肥和秸秆还田 contributes to SIC损失，特别是在低温、高降雨和试验持续时间>30年的条件下。相反，有机无机肥配施、生物炭和覆盖措施显著增加了SIC储量，特别是在干旱地区。值得注意的是，有机无机肥配施优化了SIC与作物产量之间的平衡。

这些结果突出了有机农业和保护性农业在缓解SIC损失和提高产量方面的潜力。此外，东北和华东等地区被确定为对显著SIC损失特别敏感的区域。研究人员强调，监测对于预防碳酸盐相关环境问题和土壤肥力下降至关重要，并推荐综合养分管理(如有机肥和矿物肥料配施)以及从传统农业实践向生态实践转型，以预防土壤酸化、CaCO₃损失、CO₂排放并提高作物产量。

该研究增进了对SIC循环的理解，并为可持续农业实践提供了科学证据，对实现碳平衡和粮食安全双重目标具有重要指导意义。