美国中西部玉米连作与玉米-大豆轮作系统20年土壤有机碳动态研究

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Soil organic carbon trends in US Midwest continuous maize and maize–soybean systems over 20 years

本文通过20年长期观测数据，系统分析了美国玉米带灌溉农业区不同耕作方式对土壤有机碳（SOC）储量的影响。研究发现，尽管采用保护性耕作措施，连续玉米（CM）和玉米-大豆轮作（MS）系统的SOC储量均未出现显著变化（p<0.05）。研究强调需要量化不同监测方法（土壤采样、涡度协方差）的不确定性，为农业碳汇评估提供重要参考。

　　

研究背景与意义

农业土地利用转型导致全球116 Pg碳释放至大气，土壤有机碳（SOC）库的动态变化对气候变化 mitigation 具有重要意义。美国玉米带作为全球重要农业区，其保护性耕作措施（如免耕、作物多样化）对SOC储量的影响尚存争议。本研究基于内布拉斯加州两个长期农业生态系统研究（LTAR）站点的20年观测数据（2001-2020），首次系统比较不同监测方法在灌溉农业区SOC评估中的差异。

材料与方法

研究站点包括连续玉米（CM）和玉米-大豆轮作（MS）系统，均采用中心支轴灌溉。通过三种方法评估SOC变化：①网格化土壤采样（60个采样点）②强化观测区（IMZ）采样（27-30个采样点）③涡度协方差（EC）通量法计算净生态系统生产力（NEP）和净生物群系生产力（NBP）。采用等效土壤质量法（400 kg·m^-2，0-30 cm）标准化SOC储量，并通过Tukey检验分析管理措施的显著性。

主要发现

1. 1.
   SOC储量格局：CM系统SOC储量最高（网格法77.2±0.8 MgC·ha^-1），显著高于MS系统（66.9±0.5 MgC·ha^-1），主要归因于玉米残留物输入量比大豆系统高42%。
2. 2.
   时间动态：2001-2020年间所有方法均显示SOC无显著变化（p>0.05）。EC法显示轻微碳损失（CM：-0.8 MgC·ha^-1；MS：-0.6 MgC·ha^-1），但土壤采样法结果波动较大（网格法变化幅度±2%）。
3. 3.
   碳通量特征：CM系统具有最高净生态系统生产力（NEP=53.0 MgC·ha^-1），但考虑谷物收获碳移除后，净生物群系生产力（NBP）均接近碳中性。灌溉相关CO₂释放量（0.26-0.49 MgC·ha^-1）对碳平衡影响微弱。
4. 4.
   方法学差异：三种方法对SOC变化的估算存在显著分歧。例如MS系统在IMZ法显示3%碳损失，而网格法显示1%碳增益，凸显不同采样策略对结果的影响。

机制解析

作物残留物输入量与SOC储量呈显著正相关（R²=0.50），但高输入同时刺激生态系统呼吸（RECO）。CM系统虽具有更高碳输入，但其RECO（14.19 MgC·ha^-1）也同比增加16%，形成"输入-输出"动态平衡。免耕措施主要通过减少土壤扰动维持现有碳库，而非增加新碳汇。

研究局限与展望

当前监测仅覆盖0-30 cm土层，而深层土壤（>30 cm）可能蕴含近半数碳库且对管理措施更敏感。未来需结合同位素示踪等技术，揭示不同土层碳周转机制。多方法交叉验证表明，建立标准化土壤碳监测协议对农业碳汇精准计量至关重要。

结论

在高度集约化的灌溉农业系统中，保护性耕作措施能有效维持SOC储量稳定，但单一措施难以实现净碳汇增长。作物轮作设计与残留物管理是调控农田碳平衡的关键杠杆，这对制定基于自然的气候变化解决方案具有指导意义。