《Soil Science Society of America Journal》：Woody perennial polycultures and their influence on soil organic carbon
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本文综述了木本多年生混作系统（WPPs）在建立初期对土壤有机碳（SOC）固存的影响，结合处理效应与景观特征分析，揭示了牧草行间对颗粒有机质碳（POM-C）增益的主导作用，并强调地形因子（如海拔、坡度）和土壤有效磷（available P）、潜在可矿化氮（PMN）对SOC变化的协同调控。研究通过多尺度采样策略，为温带边际土地生态固碳提供了实证依据。
研究背景与意义
木本多年生混作系统（WPPs）作为农林复合系统的分支，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，具有促进土壤有机碳（SOC）固存的潜力。已有研究表明，热带地区农林系统可通过凋落物沉积、侵蚀沉积物截留、细根周转等机制提升SOC储量，但温带地区WPPs在边际土地（如贫瘠或易侵蚀坡地）的固碳效应及景观特征的影响尚不明确。
材料与方法
研究基于美国伊利诺伊大学建立的7年生多功能木本混作试验田（14.2公顷），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-大豆轮作对照（CS）的SOC动态。通过2015年（建植前）和2022年（建植后7年）的样地采样与网格化采样（50米网格），量化0~60厘米土层的SOC储量、颗粒有机质碳/氮（POM-C/POM-N）、潜在可矿化氮（PMN）、有效磷、土壤pH等指标，并结合激光雷达（LiDAR）数据解析地形因子（海拔、坡度、曲率、水流累积量）对SOC变化的驱动作用。数据分析采用方差分析（ANOVA）和多元线性回归模型。
结果分析
- 1.
SOC储量变化：所有处理在0~60厘米土层的SOC储量均显著增加，增幅为4.26~24.68 Mg C ha?1（相当于0.6~3.5 Mg C ha?1year?1），其中3-Sp处理增益最高（24.68 Mg C ha?1），显著优于4-Sp处理（p=0.002）。CS对照的SOC增益（14.78 Mg C ha?1）主要归因于其较小样地面积（1144平方米）减少了侵蚀并促进沉积，而非植被差异。
- 2.
有机质组分响应：POM-C和POM-N在表层（0~15厘米）增幅显著，且以牧草行间贡献为主（POM-C达5.30 Mg C ha?1，显著高于木本行内的3.67 Mg C ha?1）。WPPs多样性对POM增益影响有限，表明牧草覆盖是SOC变化的主要驱动力。
- 3.
深度分布特征：SOC增益在30~45厘米土层最显著，而POM-C和PMN集中在表层。有效磷在表层下降，在15~30厘米土层增加，暗示磷的淋溶与再分布。磁性 susceptibility（MS）随深度降低，反映水文条件对土壤矿物的影响。
- 4.
景观与土壤因子调控：多元回归表明，表层SOC增益与PMN（正相关）、有效磷（正相关）和海拔（负相关）显著关联；深层（30~60厘米）SOC变化与有效磷和PMN正相关，与海拔和坡度负相关，说明侵蚀沉积过程对深层SOC积累的贡献。
讨论与结论
WPPs在建立初期可实现年均1.7 Mg C ha?1的SOC固存，速率高于温带其他多年生系统（如柳树、芒草）。然而，SOC增益并非主要由木本物种多样性驱动，而是受景观特征（如地形位置、水文）和土壤养分迁移（如磷的淋溶）调控。牧草行间通过高POM输入主导表层碳积累，而深层SOC增益可能与侵蚀沉积相关。研究强调，WPPs的固碳效应评估需结合空间异质性分析，为边际土地气候智能型农业设计提供理论依据。
核心启示
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牧草管理是WPPs早期固碳的关键；
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地形因子（海拔、坡度）与SOC变化的关联强于植被处理差异；
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温带WPPs固碳潜力需通过优化景观配置实现增效。
