长期撂荒驱动喀斯特山区土壤植硅体碳汇显著提升

为揭示全球广泛关注的农田撂荒对土壤稳定碳汇的影响机制，中国科学院研究人员以中国西南喀斯特山区玉米田撂荒序列（0–30年）为对象，首次系统探讨了撂荒时长对土壤植硅体封存有机碳（PhytOC）的调控作用。研究发现，30年撂荒地PhytOC累积量较耕作地显著提升82%，其核心驱动机制为植被演替增强的植硅体碳输入，而非土壤环境变化导致的分解抑制。该成果为评估土地废弃的固碳潜力及区域碳管理策略提供了关键科学依据。

　　

论文解读

背景与问题
在全球城市化与工业化进程中，农田撂荒已成为土地利用变革的典型现象，尤其在生态脆弱的喀斯特山区（如中国西南部）。这种土地利用方式转变显著影响土壤碳循环，而土壤碳库的微小波动即可加剧大气CO₂浓度变化。植硅体封存有机碳（Phytolith-occluded organic carbon, PhytOC）因其被非晶态二氧化硅外壳包裹，可在土壤中稳定保存数千年，是陆地生态系统长期固碳的关键途径。然而，撂荒如何通过植被演替和土壤环境变化影响PhytOC积累，仍是未解之谜。

研究设计与核心结论
中国科学院团队以贵州花江喀斯特区玉米田为研究对象，选取未撂荒玉米地（CFs）及撂荒5–6年（AB5）、15–16年（AB15）、30年（AB30）的序列样地，通过分层采样（0–5 cm、5–10 cm、10–15 cm），结合植硅体湿法提取技术、重液纯化及光谱测定法，首次解析了撂荒时长对PhytOC累积的影响机制。主要发现如下：

关键方法概述

1. 土壤采集与预处理：在撂荒序列样地内设置10 m×10 m样方，按土层深度采集环刀样本，测定容重（BD）及理化性质（pH、TOC、TN、TP、有效硅ASi）。
2. 植硅体与PhytOC定量：采用重液（ZnBr₂）离心法分离植硅体，通过分光光度法测定PhytOC含量，计算储量（公式：Spos = Σ[10000×sd_i×BD_i×Spot_i]）。
3. 酶活性检测：比色法测定土壤脲酶（URE）、蔗糖酶（SUC）、碱性磷酸酶（AP）、过氧化氢酶（CAT）活性。

研究结果

1. PhytOC积累随撂荒年限递增

   • 30年撂荒地（AB30）0–15 cm土层PhytOC含量（1.49 g·kg^?1）及储量（0.83 t·hm^?2）显著高于耕作地（CFs：0.39 g·kg^?1，0.27 t·hm^?2），增幅达82%（图2d, 3a）。
   • 短期撂荒（AB5）因植被生产力下降，PhytOC储量低于耕作地，表明玉米作为高产禾本科作物具有较强固碳能力。

2. 植被演替主导碳输入机制

   • PCA分析显示，AB30样地与PhytOC积累呈强正相关（图5），其表层植被由草本（如飞蓬）演替为灌丛（如刺梨、火棘），显著提升植硅体产量（42.35 g·kg^?1 vs. CFs: 8.01 g·kg^?1）（图2b）。
   • 土壤PhytOC储量与植被盖度（AB30: 70–76%）及有效硅（ASi）含量极显著正相关（r=0.84, P<0.01）（图4），印证喀斯特高硅母岩通过促进植物硅吸收增强PhytOC形成。

3. 土壤环境变化的次要作用

   • 撂荒显著改变土壤化学计量特征（如AB30的C:P比达86.37）及酶活性（AP提升22%），但pH（7.87–8.27）变化范围窄，对PhytOC分解无显著影响（表2, 3）。
   • 相关性分析表明，PhytOC积累主要受植被输入驱动，而土壤理化性质（如BD）和酶活性通过调控养分（TOC、TN）间接影响碳输入（图4）。

结论与意义
本研究首次证实，喀斯特山区农田撂荒30年后，植被自然演替驱动的植硅体碳输入是PhytOC积累的核心机制，其储量提升82%且稳定性不受土壤环境影响。该成果为全球土地废弃的碳汇潜力评估提供了关键参数：若推广至中国喀斯特区（面积>50万 km²），长期撂荒有望封存巨量稳定碳。研究进一步指出，短期撂荒（<15年）可能因植被生产力不足导致固碳量下降，建议将30年作为生态修复与碳管理政策制定的关键时间阈值。

期刊与意义延伸
论文发表于《Carbon Balance and Management》（开放获取），为全球变化生物学与土地可持续管理提供了实证支撑。在"双碳"目标背景下，该研究不仅揭示了自然恢复的固碳价值，也为退化耕地生态利用策略（如撂荒年限规划、高硅植物筛选）提供了理论依据。