覆盖作物碳输入在挪威土壤中的归宿：基于13C标记的有机质组分动态研究

《Plant and Soil》：The fate of cover crop carbon inputs in a Norwegian soil

本研究针对北欧条件下覆盖作物对土壤碳固存的贡献机制不清问题，通过为期两年的13CO2脉冲标记实验，追踪了四种功能型覆盖作物碳输入在土壤颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM）中的分配规律。结果表明地下碳输入比地上碳具有2-3倍的稳定性优势，且根系沉积碳是地下碳输入的主要形式，MAOM优先由地下碳形成。研究为北欧农业系统选择兼具高地下生物量和促进有机质物理化学保护特性的覆盖作物提供了理论依据。

　　

随着气候变化加剧，农业系统的碳固存潜力日益受到关注。覆盖作物作为非经济作物，在农田休耕期生长，不仅能减少养分流失，更被视为重要的碳汇策略。然而，在北欧短生长季的特殊条件下，不同覆盖作物如何通过地上和地下碳输入影响土壤有机碳（SOC）的长期稳定性，仍是未解之谜。传统长期试验需要十年以上周期，而¹³CO₂脉冲标记与土壤有机质物理分馏技术的结合，为揭示植物碳在土壤中的转化路径提供了新的视角。

挪威生物经济研究所领衔的国际团队在《Plant and Soil》发表的研究，首次在北欧条件下系统量化了四种功能型覆盖作物（意大利黑麦草、油莎萝卜、法色草和夏豇豆）的碳输入在土壤不同组分中的归宿。研究通过原位脉冲标记技术，将¹³C追踪时间延长至两年，重点关注了具有不同持久性的颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM）组分动态。

关键技术方法包括：在挪威东南部典型谷物种植区设置田间试验，对四种覆盖作物进行生长季多次¹³CO₂脉冲标记；建立地上-地下碳输入分离的互换实验；采用53μm筛分法分离POM和MAOM组分；通过元素分析-同位素比值质谱仪测定δ¹³C值；运用双源混合模型计算植物源碳比例；采用指数衰减模型拟合碳衰减常数。

覆盖作物碳输入在土壤中的持久性

数据显示，地上碳输入在土壤中快速流失，两年后仅剩5%-14%，而地下碳输入保持35%-56%的存留率。意大利黑麦草和油莎萝卜的地上碳存留量显著高于法色草和夏豇豆，且衰减速率与地上部碳氮比呈负相关。值得注意的是，尽管四种作物根系构型差异显著，但其15厘米土层内的总地下碳输入量却无统计学差异，这表明生物量数量并非碳积累的唯一决定因素。

根系沉积碳的主导地位

通过同位素示踪发现，根系沉积碳占地下碳输入的59%-89%，是根生物量碳的1.5-4倍。夏豇豆作为豆科植物，虽然根生物量最低，但其89%的地下碳来自根系沉积，凸显了根系分泌物在碳输入中的核心作用。意大利黑麦草则因致密的须根系结构，在根际土壤中捕获了更多碳。

有机质组分的形成规律

地下碳输入显著降低了POM-C/MAOM-C比值，说明其更易形成稳定的MAOM。意大利黑麦草处理组在两年后仍保持最高的MAOM-C库，而豆科作物夏豇豆每单位地下碳输入的MAOM形成效率突出，这可能与其低碳氮比促进微生物转化有关。研究还发现POM-C的衰减速率普遍高于MAOM-C，印证了理论预期。

衰减速率的种间差异

地上碳的衰减常数是地下碳的2.0-3.2倍，这一比率与全球多国研究结果高度吻合。对于POM-C，高生物量物种（意大利黑麦草、油莎萝卜）的地上碳衰减更快，而低生物量物种（法色草、夏豇豆）则呈现相反规律，反映碳输入量对POM动态的调控作用。

该研究通过创新性的实验设计证实了地下碳输入在土壤碳固存中的核心地位。特别是揭示了根系沉积碳（而非根生物量碳）才是MAOM形成的主要来源，颠覆了传统认知。研究强调选择兼具高地下生物量产量和促进有机质物理化学保护根性状的覆盖作物，是实现农业碳固存的关键。这些发现为北欧农业系统优化覆盖作物选择提供了科学依据，同时指出未来研究需结合农艺管理需求，平衡碳汇功能与生产实际的多目标协同。