多年生生物质作物替代一年生作物对加拿大安大略省西南部土壤有机碳及δ13C的影响研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Soil organic carbon and 13C changes when annual crops are replaced with perennial biomass crops in southwestern Ontario, Canada

本研究针对农业用地转换后土壤碳库变化问题，由Guelph大学团队开展了多年生生物质作物(PBCs)对土壤有机碳(SOC)影响的研究。通过13C自然丰度技术发现，种植柳枝稷和芒草能显著提升C4来源SOC比例(最高达50%)和固存速率(0.7-0.8 Mg C ha?1 year?1)，且SOC在微团聚体中分布更稳定。该研究为利用低产农田实施气候变化减缓措施提供了科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，如何通过农业管理措施增加土壤碳固存、减缓大气二氧化碳浓度上升，已成为环境科学和农业生态学领域的热点问题。传统农业系统，尤其是一年生作物种植，往往导致土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）的耗竭，这不仅降低了土壤肥力，也加剧了温室气体排放。因此，寻找可持续的农业土地利用方式，提升土壤碳库的稳定性和储量，对于实现农业低碳发展和应对气候变化具有重要意义。在此背景下，将一年生作物系统转换为多年生生物质作物（Perennial Biomass Crops, PBCs）被认为是一种有前景的碳管理策略。柳枝稷（Panicum virgatum）和芒草（Miscanthus spp.）作为C₄光合途径的多年生草本植物，因其生物量大、根系发达、管理需求相对较低，被广泛种植用于生物能源生产，同时其潜在的土壤碳固存能力也备受关注。然而，在特定区域（如加拿大安大略省西南部），这些PBCs在替代一年生作物后，其对土壤碳库的贡献速率、在不同土壤颗粒组分中的分布特征及其稳定性如何，仍需深入量化研究。为此，由Sowthini Vijayakumar、Amir Behzad Bazrgar、Mahendra Thimmanagari、Kimberley Schneider、John Lauzon和Paul Voroney组成的研究团队，在《Canadian Journal of Soil Science》上发表了他们的研究成果，旨在揭示PBCs对土壤有机碳动态的影响。

本研究主要应用了¹³C自然丰度技术（¹³C natural abundance technique），该技术利用C₃植物（如大多数一年生作物）和C₄植物（如柳枝稷和芒草）在光合作用过程中碳同位素分馏的固有差异（表现为δ¹³C值的不同），来追踪和量化新输入土壤的C₄植物源碳对土壤有机碳库的贡献。研究样本来源于安大略省三个不同地点（圭尔夫Guelph、埃洛拉Elora、伯灵顿Burlington）的农田，这些农田已由传统的C₃作物系统转换为种植柳枝稷或芒草的PBCs系统，转换年限不同（圭尔夫和埃洛拉为11年，伯灵顿为4年）。研究人员采集土壤样品后，进行了全土土壤有机碳储量（Mg C ha^?1）的分析，并进一步通过物理分组方法将土壤按颗粒大小分为大团聚体、微团聚体以及粉粒加粘粒等组分，分别测定各组分中的δ¹³C值和C₄源有机碳储量。

C₄源土壤有机碳在全土中的比例和固存速率

研究结果显示，种植PBCs显著增加了土壤中源自C₄植物的有机碳比例。在种植PBCs长达11年的圭尔夫和埃洛拉站点，C₄源土壤有机碳储量占全土土壤有机碳储量的比例显著升高：圭尔夫站点柳枝稷地和芒草地分别为30%和31%，埃洛拉站点柳枝稷地和芒草地分别达到41%和50%。相比之下，在种植仅4年的伯灵顿站点，PBCs田地的C₄源土壤有机碳比例为10%–12%，而仍种植传统作物（C₃途径）的农业对照田也含有17%的C₄源碳（可能源于历史上的C₄植物种植或本底值）。进一步计算C₄源土壤有机碳的固存速率发现，在圭尔夫站点，柳枝稷地、芒草地和农业对照田的固存速率分别为0.8、0.7和0.4 Mg C ha^?1 year^?1，表明PBCs具有更高的碳积累能力。

C₄源土壤有机碳在土壤颗粒组分中的分布

对土壤颗粒组分的分析揭示了PBCs对土壤碳稳定性的影响。在芒草种植田中，研究人员观察到其C₄源土壤有机碳在大团聚体（macro soil particles）中的储量较低，但在微团聚体（micro soil particles）和粉粒加粘粒（silt plus clay fractions）中的比例却高于柳枝稷田和农业对照田。相反，农业对照田的C₄源碳更多地存在于大团聚体中。土壤碳稳定性理论认为，与矿物结合更紧密的微团聚体和粘粉粒组分所保护的有机碳具有更长的周转时间，即更高的稳定性。因此，芒草田土壤碳库的分布模式表明其固存的碳可能具有更高的稳定性。农业田大团聚体中较高的C₄源碳则指示了相对较低的稳定性，因为这些碳可能更容易被微生物分解。

综上所述，本研究表明，在加拿大安大略省西南部地区，将一年生作物系统转换为柳枝稷和芒草等多年生生物质作物系统，能够有效促进土壤有机碳的积累，特别是显著增加源自C₄植物的新碳输入。这种转换不仅提高了土壤有机碳的总储量，更重要的是，改变了碳在土壤中的物理分布，使其更多地储存在更为稳定的微团聚体和矿物结合组分中（尤其在芒草系统中表现更为明显），从而增强了土壤碳库对分解的抵抗能力，即提升了土壤有机碳的稳定性。这一发现具有重要的实践意义：在低生产力的农业土地上培育多年生生物质作物，不仅可以生产生物质能源，还能作为一种有效的土壤碳固存和气候变化减缓措施，为实现农业生态系统的可持续发展提供了科学依据和技术路径。