《Soil Science Society of America Journal》：Woody perennial polycultures and their influence on soil organic carbon
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本研究通过7年田间试验，系统评估了木本多年生混作系统（WPP）在美国中西部边际土地上对土壤有机碳（SOC）固存的贡献。结果表明，所有处理（包括玉米-大豆对照）在0-60 cm土层均出现SOC增长（0.6-3.5 Mg C ha?1year?1），其中3物种混作（3-Sp）增幅显著高于4物种处理（4-Sp）。通过结合样区采样与网格化空间分析，研究发现颗粒有机质碳（POM-C）增加主要源于牧草行间而非木本植物行，且地形因素（海拔、坡度）和土壤属性（有效磷、潜在可矿化氮PMN）对SOC变化的影响甚至超过植被处理本身。创新性地揭示了在WPP建立初期，侵蚀-沉积过程对深层SOC积累的关键作用。
研究背景与意义
木本多年生混作系统（WPP）作为农林业系统的重要形式，通过整合多种木本物种，在提供食物生产、生物多样性保护等生态系统服务的同时，对土壤有机碳（SOC）固存具有显著潜力。尽管热带地区农林业系统的成功实践表明其碳汇功能，但关于温带地区WPP系统，特别是其管理措施、生产力及碳固存等生态系统服务的量化研究仍较为缺乏。本研究聚焦美国中西部边际土地，探究WPP多样性、密度及景观特征对SOC动态的影响。
材料与方法
研究依托伊利诺伊大学建立的7年生多功能木本混作试验田，对比分析3物种（3-Sp）、双密度3物种（3-SpX2）、4物种（4-Sp）混作及玉米-大豆（CS）对照处理。通过2015年（建植前）与2022年（建植后7年）的样区采样与50米网格采样，量化0-60 cm土层的SOC储量、颗粒有机质碳/氮（POM-C/POM-N）、潜在可矿化氮（PMN）、有效磷等指标，并结合激光雷达（LiDAR）地形数据，采用多元线性回归解析景观因子（海拔、坡度、曲率等）与SOC变化的关联。
结果分析
- 1.
SOC储量变化：所有处理在7年间均实现SOC增长，增幅为4.26-24.68 Mg C ha?1（相当于0.6-3.5 Mg C ha?1year?1）。3-Sp处理增幅最大（24.68 Mg C ha?1），显著高于4-Sp处理（4.26 Mg C ha?1），CS对照因样区面积较小（减少侵蚀）亦呈现较高增幅（14.78 Mg C ha?1）。
- 2.
有机质组分响应：POM-C和POM-N在表层（0-15 cm）显著增加，且以4-Sp和3-SpX2处理增幅最大，但整体上牧草行间的POM增益（5.30 Mg C ha?1）显著高于木本植物行（3.67 Mg C ha?1），表明牧草贡献主导了SOC变化。
- 3.
深度分布特征：SOC增益在30-45 cm土层最为显著，而非传统认知的表层聚集；PMN和有效磷在表层与SOC呈正相关，但在深层（30-60 cm）其正相关性进一步增强，暗示侵蚀沉积过程对深层碳积累的贡献。
- 4.
景观因子驱动：多元回归表明，表层SOC变化与PMN（正相关）、海拔（负相关）密切关联；深层SOC变化则主要受有效磷（正相关）和海拔（负相关）驱动，说明地形调控的水土迁移对碳分布具有决定性影响。
讨论与创新
本研究突破性地揭示：
- •
WPP系统的SOC固存速率（均值1.7 Mg C ha?1year?1）超越中西部其他多年生系统（如柳树、芒草），接近热带农林业水平。
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植被多样性并非SOC增益的主要驱动力，景观特征（如坡度、海拔）通过调控侵蚀-沉积过程，对碳分布的影响甚至超过植物输入。
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深层SOC积累与有效磷的协同增加，指向养分与碳的共迁移机制，颠覆了“碳积累主要源于表层植物输入”的传统认知。
结论与展望
WPP系统在建立初期即可实现显著碳固存，但其效率高度依赖景观背景。未来研究需整合牧草管理策略，并强化地形因子在WPP设计中的考量，以优化边际土地碳汇功能。结合处理设计与空间分析的方法框架，为解析复杂农业生态系统中碳-养分-地形互作提供了新范式。
