保护性耕作提升旱地土壤有机和无机碳库：基于20年田间试验与荟萃分析的启示

推荐：针对旱地农业土壤碳库动态机制不清的问题，中国科学院团队通过20年田间试验结合76组数据的荟萃分析，揭示保护性耕作中免耕(NT)通过微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)促进土壤无机碳(SIC)积累(10.67%, 0-20 cm)，减耕(RT)则显著提升有机碳(SOC)储量(25.09%, 0-40 cm)。该研究为干旱区"双碳"目标实现提供了新型生物地球化学路径。

　　

在全球气候变化与粮食安全双重挑战下，土壤碳库管理已成为农业可持续发展的核心议题。传统观点认为土壤无机碳(SIC)在人类时间尺度上相对稳定，而最新证据显示其在干旱区占土壤总碳(TC)的90%，且可能通过农业管理措施快速周转。然而，学界对保护性耕作如何同步影响有机碳(SOC)与无机碳(SIC)仍缺乏系统认知，特别是微生物驱动SIC形成的生物地球化学机制亟待阐明。

针对这一科学空白，中国科学院生态环境研究中心联合山西农业大学等机构，在黄土高原旱作农业区开展了为期20年的保护性耕作定位试验，结合全国76组田间数据的荟萃分析，首次揭示了耕作方式通过调控钙循环与微生物群落协同影响SIC形成的双路径机制。该成果发表于《Agriculture, Ecosystems & Environment》期刊，为干旱区土壤碳汇提升提供了理论创新与技术支撑。

研究团队采用多尺度方法体系：通过标准化田间试验设计（常规耕作CT、减耕RT、免耕NT三种处理），系统监测0-100 cm剖面碳库变化；运用高通量测序解析微生物群落结构；结合随机森林模型和方差分解(VPA)量化环境因子贡献度；整合全国7项长期试验数据进行效应值Meta分析。关键技术包括碳酸盐滴定法测定SIC、PLSPM路径分析、微生物共现网络构建等。

3.1 土壤生物与非生物性质变化
通过雷达图与标准化分析发现，NT处理在0-20 cm层显著提升土壤含水量(25.9%)、有效磷(108.8%)和细菌多样性(9.3%)，RT则使SOC增加4.1%。这种改良效应随土层加深而减弱，表明保护性耕作的影响主要发生在耕作层。

3.2 碳库储量与垂直分布
RT处理使0-40 cm层SOC储量提升25.1%，而NT显著增加表层SIC储量(10.67%)。值得注意的是，SIC/SOC比值在40 cm以下土层出现反转(>1)，暗示深层土壤碳库以无机形态为主导。交换性钙(Ca²⁺)与SOC呈显著负相关(r=-0.42)，却与SIC正相关(r=0.51)，揭示钙离子在碳形态转化中的枢纽作用。

3.4 微生物群落与共现网络
免耕处理使产脲酶菌群Firmicutes丰度提升117.2%，其中芽孢杆菌属(Bacillus)增加129.1%。微生物网络分析显示NT处理使细菌网络连接度提升70%，而真菌网络稳定性在RT处理最优。脲酶活性(UA)与SIC呈显著负相关(p<0.01)，为MICP过程提供间接证据。

3.5 环境因子对SIC的相对贡献
方差分解表明，在0-40 cm层，耕作措施与生物-非生物因子的交互作用解释77%的SIC变异；而在深层土壤(40-100 cm)，非生物因子(如Ca²⁺)贡献率达46%。随机森林模型确认SOC变化量(lnRR)是影响SIC响应的最关键预测变量。

3.7 不同调节因子对SIC储量的影响
荟萃分析揭示NT对SIC的促进作用存在显著环境依赖性：在年降水<400 mm的干旱区效果最佳(3.27%)，且氮肥投入<150 kg N ha^-1 yr^-1时最显著。这与田间试验中高氮抑制MICP的过程机制相吻合。

这项研究创新性地提出"微生物-矿物-碳"耦合框架：在免耕系统中，稳定的微环境促进产脲酶菌群增殖，通过MICP将CO₂固定在碳酸盐矿物中；而减耕系统通过增强真菌necromass(死菌体)输入促进SOC积累。这种碳形态的分异机制为旱区农田"固碳减排"提供了双路径解决方案。

研究结果对全球干旱区农业管理具有重要启示：首先，传统SOC-centric(有机碳中心)的碳汇评估体系需要纳入SIC指标；其次，通过调控耕作强度可定向培育功能微生物群落，实现碳形态的精准调控；最后，建议将NT纳入干旱区低碳农业技术包，特别是在钙质土壤区域。未来研究可结合稳定同位素示踪技术，定量解析MICP对碳汇的实际贡献率，并开发基于微生物组装的智能耕作系统。