有机改良剂施用20年后底土有机碳库增加无法用多种碳输入贡献解释

《Geoderma》：Increase in organic carbon stocks in subsoil layers after two decades of organic amendment application cannot be explained by the estimated contribution of multiple C inputs

本研究针对有机改良剂(OA)应用对底土SOC(土壤有机碳)库的影响机制不明确的问题，通过24年的长期定位试验，量化了0-90 cm土层SOC库的积累，并评估了作物地下碳输入、DOC(溶解性有机碳)淋溶、生物扰动和淋淀作用的贡献。结果表明，底土SOC库显著增加，但已知碳输入机制仅能解释部分积累量，揭示了当前对底土SOC动态认知的不足，强调了在评估OA固碳效应时考虑底土的重要性。

　　

土壤是地球表面巨大的碳库，其有机碳（SOC）含量不仅关乎土壤健康，更是应对气候变化的关键。然而，长期以来，科学界对土壤碳的研究大多聚焦于表层土壤（0-30 cm），而对蕴藏着近一半碳储量的底土（subsoil）关注不足。施用有机改良剂（OA），如粪肥、堆肥等，是提升土壤碳库的常见农艺措施，但其对底土碳库的影响及其背后的驱动机制尚不明确。有机碳如何进入并稳定存在于底土？是植物根系直接输送，还是以溶解态随水淋溶，或是通过土壤动物的搬运和矿物的淋淀作用？这些问题构成了当前土壤碳循环研究的核心挑战之一。

为了回答这些问题，由Florent Levavasseur等人组成的研究团队，在法国巴黎萨克雷大学的QualiAgro长期定位试验站（LTE）进行了一项长达24年（1998-2022）的深入研究。该试验设置在典型的温带海洋性气候区，土壤为发育于黄土母质上的Haplic Luvisol（典型淋溶土）。研究人员设置了不施有机改良剂的对照（CON）以及施用四种不同类型OA的处理，包括绿废与污泥堆肥（GWS）、绿废与家庭分类有机垃圾堆肥（BIO）、机械分选城市固体废物堆肥（MSW）和奶牛场粪肥（FYM）。研究旨在量化OA施用对0-90 cm剖面SOC库积累的影响，并首次尝试量化作物地下碳输入、DOC淋溶、生物扰动和淋淀作用这四种主要途径对底土SOC积累的相对贡献。这项重要的研究成果发表在土壤科学领域的权威期刊《Geoderma》上。

在研究方法的运用上，作者团队展现了多技术融合的特点。核心的SOC库计算采用了等效土壤质量法（ESM），以校正因土壤容重变化带来的评估偏差。对于碳输入通量的估算则各具特色：作物地下碳输入（包括根系和根际沉积物）通过作物产量和异速生长系数进行估算；DOC淋溶通量通过设置在45 cm和100 cm深度的纤维芯渗漏计（lysimeter）进行直接、连续的监测；而生物扰动和淋淀作用这两种难以直接观测的物理迁移过程，则创新性地通过对土壤薄片进行图像分析，量化黏粒胶膜（clay coatings）和蚯蚓粪（earthworm casts）等微观特征的体积比例，并结合土壤发生学时间尺度进行推算，从而估算其年均碳转移量。这种将传统化学分析与土壤微形态学相结合的方法，为揭示底土碳的“来源”提供了独特的视角。

3.1. SOC含量演变

通过对1998年、2009-2010年和2021-2022年三个时间点的土壤样品分析，研究发现，经过24年的OA施用，所有OA处理在0-28 cm、28-35 cm、35-50 cm及50-90 cm土层的SOC含量均显著增加。值得注意的是，即使在未施用OA的CON处理中，35-50 cm和50-90 cm土层的SOC含量也呈现出显著的增加趋势。在OA处理中，尤其是BIO和GWS这两种被认为碳稳定性更高的堆肥，其在亚表层（如35-50 cm）的SOC含量增加尤为明显，表明OA的类型（特别是其稳定性）影响着碳向底层的迁移或固存效率。

3.2. SOC库

利用等效土壤质量法计算SOC库发现，至2022年，整个0-90 cm土层的总SOC库在OA处理下显著高于CON处理。与1998年基线相比，OA处理在0-28 cm耕层引起了显著的SOC库积累，占总积累量的39%（MSW）至51%（GWS）。更重要的是，在28-35 cm、35-50 cm和50-90 cm的底土中，也观测到了显著的SOC库积累。相对于CON处理，OA引起的SOC库积累有5%至10%发生在35-50 cm土层，3%至13%发生在50-90 cm土层。这清晰地表明，OA的固碳效应并不仅限于表层，而是可以显著地影响到近1米深的底土。

3.3. SOC库积累量

绝对SOC库积累量（2022年与1998年差值）显示，OA处理在0-90 cm剖面均积累了大量的碳。相对积累量（OA处理与CON处理在2022年的差值）进一步证实，OA对SOC库的提升效应在底土中确实存在，尽管其相对贡献率低于表层。这表明，在评估OA的固碳潜力时，如果只考虑表层土壤，将会严重低估其真实的碳汇功能。

3.4. DOC淋溶的C输入估算

渗漏计的监测数据显示，OA施用倾向于增加DOC的淋溶通量，无论是在45 cm还是100 cm深度。然而，DOC淋溶的绝对通量相对较小（例如，在90 cm深处，年通量约为8-18 kg C ha^-1）。计算表明，DOC沉积对底土SOC库积累的贡献非常有限，仅占1%至5%。因此，尽管OA影响了DOC的移动，但它并不是驱动底土SOC积累的主要途径。

3.5. 作物地下碳输入

基于作物产量和异速生长模型的估算表明，OA处理由于促进了作物生长，其作物地下部分（根系和根际沉积物）输入的碳量显著高于CON处理。在35-50 cm土层，估算的年均碳输入范围在0.12至0.14 t C ha^-1之间。尽管这是所有估算的碳输入途径中贡献最大的一项，但其总量也仅能解释观测到的底土SOC库积累量的32%至54%。这意味着，至少有接近一半的底土碳积累无法通过作物直接输入来解释。

3.6. 淋淀作用的C转移

通过对土壤薄片中黏粒胶膜等特征的图像分析，研究人员估算了地质历史时期淋淀作用带入底土的物质量，并结合现代土壤黏粒组分的碳含量，推算了其年均碳转移量。结果显示，无论是对于CON处理还是FYM处理，淋淀作用带来的碳输入都微乎其微（≤1%的SOC积累量）。即使采用最短的土壤形成时间（1000年）进行估算，其贡献依然很小。这表明，在人类活动的时间尺度上，淋淀作用可能不是底土碳输入的主要机制。

3.7. 生物扰动的C转移

同样基于土壤微形态学分析，通过量化蚯蚓粪等生物扰动特征的体积比例，估算了生物扰动作用的年均碳转移。结果表明，其贡献虽然略高于淋淀作用，但仍然非常有限（≤3%的SOC积累量）。即使在OA处理下蚯蚓活性可能增强，生物扰动带来的碳输入量级仍远不足以解释观测到的底土碳积累。

3.8. C平衡

综合比较底土（35-50 cm和50-90 cm）的SOC积累量与所有估算的碳输入量（作物地下碳、DOC沉积、淋淀碳转移、生物扰动碳转移），发现这些已知机制的总和仍然低于实际观测到的SOC积累量。作物地下碳输入是最大的贡献者，但存在显著低估的可能性；DOC淋溶贡献甚微；而生物扰动和淋淀作用的贡献在当前评估方法下可以忽略不计。这留下了相当大的“未解释”的碳积累部分。

本研究通过24年的长期观测，确证了有机改良剂施用不仅能增加表层土壤有机碳库，还能显著促进底土（最深至90 cm）碳的积累。然而，一个出乎意料的发现是，即使在未施用有机改良剂的对照区，底土碳库也表现出显著的增加趋势，这暗示着可能存在尚未被充分认识的、与长期农业管理（如矿物氮肥施用）相关的底土碳汇过程。

更为重要的是，研究尝试量化了四种公认的底土碳输入途径的贡献，发现它们之和仍无法完全解释观测到的底土碳积累。这一“碳亏缺”现象突显了当前对底土碳循环过程，特别是碳的垂直迁移和稳定机制的理解存在重大空白。可能的原因包括：对作物根系和根际沉积碳输入的估算存在较大不确定性；可能存在其他物理迁移途径（如通过大孔隙的直接输送）；或者当前对生物扰动和淋淀作用在人为管理下的强度估算过于保守。

这项研究的意义深远。首先，它强有力地指出，在评估有机改良措施对气候变化减缓的潜力时，必须将底土碳库的变化纳入考量，否则会严重低估其固碳效果。其次，它揭示了底土碳循环的复杂性，挑战了现有的认知框架，为未来的研究指明了方向，即需要发展更精确的方法来量化碳输入，并探索新的碳稳定机制。最终，深化对底土碳动态的理解，对于优化农业管理措施、实现土壤健康与气候变化减缓的双赢目标至关重要。