美国东南部甘蔗扩张对土地转换碳预算的影响及可持续生物能源景观的构建

这篇研究通过整合生物计量学、地面观测和涡度协方差方法，系统评估了美国佛罗里达州将改良（IMP）与半原生（SN）牧场转为甘蔗田的碳（C）收支变化。研究发现甘蔗的碳利用效率（CUE=0.59）显著高于牧场（0.23-0.31），但其土壤异养呼吸（Rh）在转化首年激增1510±227 gC m?2 year?1，导致净生态系统碳平衡（NECB）短期恶化。研究揭示了碳分配模式从根系主导转向凋落物主导的结构性变化，为制定可持续生物能源管理策略提供了关键数据支撑。

　　

4.1 代谢效率提升凸显甘蔗生物能源潜力
甘蔗展现出惊人的碳同化转化能力，其碳利用效率（CUE=0.59）达到C4植物的理论极限值（0.2-0.65）上限，较改良牧场（IMP）和半原生牧场（SN）分别提高90%和156%。这种高效代谢支撑其净初级生产力（NPP）达到牧场的2.4-4.9倍，地上部生物量占比高达94.7%（地上/地下比18.7±3.7），显著优于芒草（Miscanthus×giganteus）等主流能源作物。这种"轻根重茎"的碳分配策略使其可收获生物量产出效率提升3-6倍，特别适合在土壤贫瘠的亚热带地区构建生物能源生产体系。

4.2 年龄效应揭示维持呼吸代价上升
与牧场稳定的CUE（年际变异<10%）不同，甘蔗在第三生长周期出现CUE断崖式下跌（0.69→0.40）。这种"代谢衰老"现象与根系生物量占比提升（从5.3%增至9.8%）同步发生，暗示成熟植株需将更多同化碳分配给养分吸收器官。研究观察到伴随衰老过程的氮素再分配特征：叶片氮含量下降23%的同时，根系氮浓度上升17%，这可能导致光合机构解体与维持呼吸比例上升的双重消耗。

4.3 转化初期碳损失揭示土壤碳库脆弱性
土地转换引发的"碳债务"主要来自两个机制：一是耕作扰动导致原有牧场土壤团聚体崩解，使受保护的有机碳（SOC）暴露分解，首年异养呼吸（Rh）达1510 gC m^?2；二是甘蔗根系输入仅占土壤碳源的5%，无法维持牧场时期形成的微生物-矿物碳泵。尽管甘蔗凋落物输入量是牧场的3倍，但其高C:N比（73-80）导致分解速率降低42%，形成以颗粒有机质（POM）为主的脆弱碳库。

4.4 碳输入途径转变影响长期固存潜力
根系主导（牧场）与凋落物主导（甘蔗）的碳输入途径差异，造成矿物结合有机质（MAOM）形成机制断裂。牧场的细根周转（C:N=29-30）持续供应微生物衍生碳，而甘蔗凋落物在土壤表层富集形成轻组碳库（LF-C），其平均驻留时间仅相当于MAOM的1/10。模型推算表明，这种转变可能使新固碳的持久性降低47-63%。

4.5 管理策略瞄准碳稳定化瓶颈
针对甘蔗系统的固碳短板，研究提出三级干预策略：遗传改良侧重根系性状（如根毛密度提升30-50%）；农艺措施采用甘蔗渣还田配合固氮菌接种，使凋落物C:N比降至40-45；土壤改良通过生物炭（施用率5-10 t/ha）与黏土矿物（如伊利石）复配，增强矿物表面碳封存能力。这些措施理论上可使土壤碳固持率提升2.3-3.1倍，缩短碳偿还周期。