保护性耕作下土壤有机碳的权衡：颗粒态与矿物结合态碳介导的碳储量与稳定性关系

本研究通过全球整合分析，揭示了保护性耕作(CS)对土壤有机碳(SOC)储量与稳定性的分层效应：在0-10 cm上层土壤中，CS通过显著增加颗粒态有机碳(POC)储量(27.4%)提升SOC储量(14.7%)但降低稳定性(P/M比增加12.5%)；而在10-20 cm下层土壤则呈现POC减少(-9.2%)但稳定性增强的相反模式。研究首次系统阐明了碳输入量(4-6 Mg C ha?1 yr?1 为阈值)、耕作年限等关键调控因素，为精准评估农业固碳潜力提供了理论依据。

　　

【研究背景】
全球耕地土壤在0-30 cm层储存着约6800亿吨碳，但传统耕作(CT)导致土壤有机碳(SOC)持续流失，加剧气候变化。保护性耕作(CS)虽被推广至全球1.8亿公顷农田，但其对SOC动态的影响机制仍存争议。核心矛盾在于：SOC储量增加是否意味着稳定性提升？现有研究多聚焦表层土壤(0-10 cm)，忽视了下层土壤(10-20 cm)的差异化响应。更关键的是，SOC由周转速率迥异的颗粒态(POC，>53 μm)和矿物结合态(MAOC，<53 μm)组成，二者对管理的响应可能截然不同。

【研究概况】
中国科学院团队在《Soil and Tillage Research》发表研究，通过整合全球205项研究的3,258组数据，首次系统量化了CS对SOC组分(POC/MAOC)及其稳定性指标(P/M比)的分层效应。研究发现CS在上下层土壤中产生"碳储量-稳定性"的权衡关系：上层土壤POC显著积累但稳定性降低，下层则MAOC占优且稳定性增强。研究同时识别出碳输入量、耕作年限等关键调控阈值。

【关键技术】
研究采用文献整合分析(Meta-analysis)方法，从Web of Science等数据库筛选全球CS试验数据，建立包含气候因子、初始土壤性质(如SOC含量、质地)和农艺措施(如秸秆还田量、轮作制度)的标准化数据集。通过响应比(RR)计算效应值，采用混合效应模型分析调节因素，并运用95%置信区间(CI)评估显著性。

【主要结果】

1. 整体效应
   CS使上层土壤SOC、POC、MAOC储量分别增加14.68%、27.40%、11.21%，但P/M比上升12.46%表明稳定性下降；下层土壤POC减少9.26%而P/M比降低8.84%，呈现稳定性增强特征。

2. 时间动态
   在上层土壤，CS对SOC储量的正效应随耕作年限延长而减弱，10年后效应消失；下层土壤的POC负效应则随年限加剧。

3. 碳输入调控
   当碳输入量为4-6 Mg C ha^?1
   yr^?1
   时，CS产生最大SOC储量增幅(上层+18.6%)和最低稳定性(P/M比+15.3%)。

4. 土壤质地影响
   砂质土壤中CS对MAOC的提升效应比粘质土壤高32%，印证了矿物表面吸附位点对MAOC形成的关键作用。

【结论与意义】
研究揭示了CS实践中"碳储量增加≠碳汇持久性"的核心矛盾：上层土壤POC的快速积累虽提升短期碳汇，但其易分解特性可能导致气候变暖情境下碳重新释放；下层土壤MAOC的稳定化则代表长期固碳潜力。这一发现挑战了单纯以SOC储量评价耕作措施的传统认知，提出应建立"分层-组分-稳定性"三位一体的评估框架。研究为《巴黎协定》下农业固碳潜力的精准核算提供了科学依据，建议将10-20 cm土层纳入全球碳模型，并优化碳输入量(如维持4-6 Mg C ha^?1
yr^?1
)以实现碳储量与稳定性的协同提升。