两种对比鲜明的篱笆农林系统中土壤碳输入的空间分布

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Spatial distribution of soil carbon inputs in two contrasted hedge agroforestry systems

本研究在法国诺曼底选取永久草地和轮作农田两种耕作系统，分析混合树篱边缘0-30厘米土层中碳输入源（细根周转、树篱落叶、有机肥、作物残体、牲畜啃食）的空间分布特征及其对土壤有机碳（SOC）库的影响。结果表明树篱对土壤碳输入贡献有限，但维持现有树篱布局可避免土壤碳库的快速下降，因树篱碳主要来源于不稳定有机质。

　　在农业生态系统中，土壤碳储存是衡量土地可持续性和气候变化应对能力的重要指标。近年来，随着对碳循环和农业可持续发展的关注不断加深，人们逐渐认识到，将树木与农作物或牲畜结合的农业林业系统（agroforestry systems）在提升土壤碳储量方面具有显著潜力。这类系统不仅能够促进碳固定，还能通过复杂的生态过程影响土壤碳的分布和稳定性。然而，尽管已有大量研究探讨了农业林业系统对土壤碳储存的总体影响，关于这些系统中碳输入的时空分布及其对土壤碳储量的动态作用，尤其是靠近树篱（hedges）区域的碳输入特征，仍然存在诸多未知。

本研究旨在深入探讨在法国诺曼底地区，两种典型的混合农业系统——永久草地（permanent grassland）和轮作农田（rotation of annual crops and temporary grassland）——中，靠近树篱区域的碳输入情况。研究选取了两个相邻的田块，分别位于树篱旁的永久草地和轮作农田，对0至30厘米深度范围内的碳输入来源进行了系统测量，包括细根的周转、树篱落叶、有机肥施用、作物/草地残留物以及放牧牛群的贡献。同时，对0至90厘米深度范围内的土壤有机碳（SOC）储量及其在细粒和粗粒土壤组分中的分布也进行了分析。通过这一研究，期望能够更全面地理解树篱在农业生态系统中的碳输入作用，并为农业林业系统的碳管理提供科学依据。

在农业林业系统中，树篱通常由灌木和乔木组成，它们不仅为农田提供了生态屏障，还在土壤碳循环中扮演了重要角色。树篱的落叶、细根的分解以及根系分泌物的释放，构成了土壤碳输入的主要来源。这些碳输入过程在不同距离的土壤剖面中表现出显著的空间异质性。例如，在永久草地（G_site）中，靠近树篱的区域（1至3米）表现出较高的碳输入，主要来源于细根的周转和草地残留物。而在轮作农田（C_site）中，碳输入的分布模式则有所不同，尽管靠近树篱的区域（1至3米）同样具有较高的碳输入，但随着距离的增加，碳输入的来源发生了变化，特别是在10米距离处，作物残留物的贡献显著增加。这一现象表明，不同农业系统中的碳输入来源及其空间分布存在差异，这种差异可能与土地利用方式、植被类型以及树篱与农田的相互作用有关。

研究发现，在轮作农田中，10米距离处的碳输入总量显著高于草地，这与该区域的作物残留物贡献密切相关。而在永久草地中，尽管10米距离处的细根生产力和生物量较高，但其周转率相对较低，导致该区域的碳输入总量不如靠近树篱的区域。这种差异可能反映了不同农业系统中植物碳分配策略的不同。在轮作农田中，作物的生长周期和管理方式可能促使更多的碳通过残留物进入土壤，而在永久草地中，植物根系的长期积累可能使得细根的碳输入在近树篱区域更加显著。此外，树篱落叶的贡献在草地中更为突出，特别是在粗粒土壤组分中表现出较高的碳储存能力。这表明，树篱落叶可能在草地土壤碳储存中发挥了更为关键的作用，而细根的碳输入则更倾向于影响细粒土壤组分的碳含量。

值得注意的是，尽管树篱在碳输入方面具有一定的贡献，但其对土壤碳储量的总体影响并不如预期般显著。这可能与树篱中碳的稳定性有关。树篱中的碳输入主要来源于易分解的物质，如细根和落叶，这些物质的周转率较高，容易被微生物分解并释放到大气中。相比之下，永久草地中的碳输入更多来自于长期积累的根系物质，这些物质的分解速度较慢，因此对土壤碳储量的贡献更为持久。此外，研究还指出，树篱的线性布局在维持土壤碳储量方面具有重要意义。如果树篱被破坏或移除，可能会导致土壤碳储量的快速下降，这与树篱中易分解碳的高周转率密切相关。因此，保持树篱的完整性和连续性，对于维持农业生态系统中的碳储存能力至关重要。

研究还强调了根系碳输入在农业林业系统中的重要性。细根的周转是土壤碳储存的重要机制之一，因为它们的生产和分解速率较高，能够快速将碳引入土壤。然而，由于细根的分布受到土壤结构和植物生长环境的影响，其碳输入的空间分布也表现出明显的异质性。在本研究中，细根的碳输入在靠近树篱的区域（1至3米）较为集中，而在更远的区域（如10米）则有所减少。这种分布模式可能与树篱对土壤环境的改变有关，例如，树篱可能改变了土壤的水分、温度和养分状况，从而影响了细根的生长和分布。此外，根系分泌物（rhizodeposition）在碳输入中的作用也得到了重视。根系分泌物能够通过与土壤矿物颗粒的结合，增强土壤团聚体的稳定性，从而提高土壤碳的储存能力。然而，由于根系分泌物的种类和数量受到植物种类、土壤条件以及微生物群落的影响，其在不同农业系统中的贡献可能存在较大差异。

本研究的结果对于农业林业系统的碳管理具有重要的实践意义。首先，它揭示了不同农业系统中碳输入的空间分布特征，为制定精准的碳管理策略提供了依据。例如，在轮作农田中，由于作物残留物的碳输入在远距离区域更为显著，因此在农田管理中应考虑如何优化作物残留物的利用，以提高其对土壤碳储量的贡献。而在永久草地中，细根和草本残留物的碳输入在近树篱区域更为集中，因此在草地管理中应关注如何维持树篱的完整性，以促进细根的长期碳积累。其次，研究结果也强调了树篱在农业生态系统中的重要性。尽管树篱对土壤碳储量的直接贡献可能不如预期，但其对土壤碳输入的空间分布和稳定性具有显著影响。因此，在农业实践中，应重视树篱的保护和维护，以充分发挥其在碳储存中的作用。

此外，本研究还对农业林业系统的碳输入来源进行了系统分析。除了细根和落叶，有机肥的施用、作物/草地残留物以及放牧牛群的排泄物也是重要的碳输入来源。这些来源的碳输入量在不同距离和不同农业系统中表现出不同的变化趋势。例如，在轮作农田中，有机肥的施用可能对远距离区域的碳输入产生更大的影响，而在永久草地中，放牧牛群的排泄物可能对碳输入的贡献更为显著。这些发现表明，农业林业系统的碳输入不仅受到植被类型的影响，还与农业管理措施密切相关。因此，在农业实践中，应综合考虑植被结构、土地利用方式以及管理措施，以优化碳输入的来源和分布。

研究还指出，农业林业系统的碳输入和碳储存之间的关系并非线性。在某些情况下，碳输入的增加可能不会直接导致土壤碳储量的显著提升，而是受到土壤碳周转率、微生物活动以及土壤物理化学性质等多重因素的影响。例如，在轮作农田中，尽管碳输入总量较高，但由于土壤碳的快速周转，其对土壤碳储量的贡献可能不如永久草地中的碳输入那样持久。这表明，在农业林业系统的碳管理中，不仅要关注碳输入的量，还要关注其稳定性。因此，未来的农业实践应更加注重碳输入的长期效应，而不仅仅是短期的碳固定。

最后，本研究的结果为农业林业系统的碳管理提供了新的视角。通过分析不同农业系统中碳输入的空间分布，可以更好地理解树篱在农业生态系统中的作用，从而为政策制定者和农业管理者提供科学依据。例如，在制定农业补贴政策时，可以考虑对保持树篱完整性的农户给予额外支持，以鼓励其维持农业林业系统的碳储存功能。此外，在农业碳交易和碳信用体系的构建中，也需要充分考虑树篱的碳输入特征，以确保碳核算的准确性和公平性。总之，农业林业系统在提升土壤碳储量方面具有重要潜力，但其作用的发挥需要综合考虑多种因素，并采取科学合理的管理措施。