加拿大魁北克南部农林复合树篱(AFH)对土壤有机碳储量的双向效应取决于塑料地膜覆盖

《Journal of Environmental Management》：Agroforestry hedges either increase or decrease soil organic carbon stocks depending on the use of plastic mulch in Southern Quebec (Canada)

　　

在全球范围内，土壤有机碳(SOC)库约为大气碳库的三倍，但不当的土地管理已导致农田该碳库持续下降。农林复合系统被政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估为重要的自然气候解决方案，预计2020—2050年期间其减缓潜力可达4.1 Pg CO₂-eq yr^?1。然而，不同研究中农林复合树篱(AFH，指防护林、 shelterbelt、树篱和河岸缓冲带等边界种植形式)对SOC储量的效应存在显著差异，其局部调控因素尚不明确。本观测研究在加拿大魁北克南部选取36条不同林龄、树种组成并建立在不同质地土壤上的AFH（22条防护林和14条河岸缓冲带），量化土壤、木质残体和生物量碳储量并与相邻农田对比，同时采用物理分组评估土壤碳稳定性。结果表明：AFH下0—50 cm全剖面SOC储量平均下降6.4%，主要由底层土壤(20—50 cm)13.5%的损失驱动；表层土壤(0—20 cm)SOC在有限使用塑料地膜的系统中增加24%，而在连续铺设塑料地膜的系统中下降12%。SOC增益主要发生在颗粒有机质(POM，>53 μm)组分，而矿物结合有机质(MAOM，<53 μm)组分在表层和底层均下降。土壤质地可调控上述响应，较高粉粒含量有利于表层SOC积累和底层SOC保存。树木生物量碳储量平均为26.4 Mg C ha^?1，完全补偿了SOC损失，使总碳储量较对照显著增加20.5 Mg C ha^?1；生物量碳积累速率在约23年林龄时达到峰值3.7 Mg C ha^?1 yr^?1，此后逐渐下降。研究结论指出，AFH的土壤碳响应具有强烈的背景依赖性，建园与土壤表面管理措施（尤其是避免连续塑料地膜覆盖）比树种组成更能决定其固碳功能；在评估农林复合系统的气候变化减缓潜力时，需综合考虑地上—地下固碳途径的权衡、剖面深层碳动态(POM与MAOM)以及碳储存的长期稳定性。

**论文解读**

**一、研究背景与存在问题**
全球SOC库约为大气碳库的三倍，是陆地生态系统最大的碳汇之一，但长期粗放的农田管理已导致该碳库显著下降。农林复合系统通过多年生植被与土壤碳蓄积，被IPCC列为重要的自然气候解决方案。多项meta分析已证实农林复合系统总体可提高SOC储量，然而在整合多源数据的758组独立对比中，近四分之一的研究显示无树对照农田的SOC更高，说明其效应高度不确定且受局部因素调控。作为温带农田最普遍的农林复合形式，AFH的固碳效应机制尚不清楚。加拿大魁北克省2002—2017年间通过"Prime-Vert"经济激励计划建立了2375条AFH，且建园时均要求采用地膜覆盖控制杂草，其中最常用的是林业级不可降解黑色聚乙烯连续地膜。塑料地膜可改变土壤温度、水分与养分有效性，其长期留存可能通过增温效应促进微生物呼吸并加速SOC矿化，但这一途径尚未在AFH情境下得到系统评估。因此，依托该大规模实施平台开展长期观测，对明确AFH真实固碳潜力及其时间演变具有重要的科学价值与现实意义。

**二、研究内容、结论与意义**
研究人员在魁北克南部22个农场选取36条AFH，量化土壤、凋落物、木质残体与树木生物量碳储量，并与相邻农田对照比较，同时通过物理分组揭示SOC的稳定性变化。核心结论是：AFH的总碳储量增加20.5 Mg C ha^?1，其中树木生物量是主导碳汇；而SOC的增减方向取决于地膜覆盖方式——有限地膜下表层SOC增加、连续地膜下表层SOC下降，底层SOC普遍损失。该研究揭示了建园管理措施对AFH土壤碳源汇功能的决定性作用，为优化农林复合系统的气候减缓策略提供了关键依据。

**三、主要技术方法**
样本选自前期78条AFH调查队列中的36条（22条防护林、14条河岸缓冲带），分布于魁北克南部22个农场。采用配对采样设计，在树行下方与40 m外农田对照点分0—20 cm和20—50 cm两层采集土芯（共432个复合样品）；用高温燃烧红外检测元素分析仪测定总碳，环刀法测定容重，并采用等效土壤质量法(ESM)配合单调三次样条校正SOC储量；通过53 μm湿筛分组分离MAOM与POM；采用物种异速生长方程估算树木地上与地下生物量碳；最后运用线性混合效应模型解析环境（AFH对对照）与树木碳储量、土壤质地、树种组成及地膜类型的交互效应。

**四、研究结果**
**土壤容重与SOC储量**：AFH下0—20 cm容重显著降低，有限地膜下降幅15%、连续地膜仅4%；20—50 cm仅在阔叶主导系统中显著降低，且降幅随树木碳储量增加而加大。表层SOC储量在有限地膜系统中增加24%、连续地膜系统中下降12%；底层SOC平均下降13.5%，致使0—50 cm全剖面SOC显著降低；随树木影响增强，底层SOC效应由负转中性。在有限地膜条件下，粉粒含量升高可促进表层SOC积累并缓解底层SOC损失。
**土壤组分**：表层POM-C储量平均升高18%（有限地膜下增幅达67%，连续地膜下无显著变化），而MAOM-C在表层与底层分别下降14%和19%；有限地膜下较高粉粒含量可缓解表层MAOM损失。底层POM-C在幼林期降低，但随树木发育逐步回升至中性甚至正值，表明POM驱动底层SOC的恢复。
**凋落物、木质残体与生物量**：凋落物碳储量随树木发育累积，针叶树主导系统更高；木质残体约占凋落物碳的三分之一。树木生物量碳在种植后约20年内呈指数增长，碳固存速率峰值出现于约23年、达3.7 Mg C ha^?1 yr^?1，此后逐步回落至约1 Mg C ha^?1 yr^?1；黏土含量对老龄AFH的树木生长具抑制作用。地膜类型与树种组成对树木碳储量均无显著影响。
**总碳储量**：凋落物与木质残体不足以补偿SOC损失，而树木生物量碳(26.4 Mg C ha^?1)完全弥补该损失并使总碳储量显著提高20.5 Mg C ha^?1；按平均林龄16.6年计，生物量年固存速率1.6 Mg C ha^?1 yr^?1，全碳库合计1.2 Mg C ha^?1 yr^?1。

**五、讨论与结论**
讨论部分指出，底层SOC损失可能与树木深根改善土壤通气、促进矿化以及根系激发效应有关，也可能反映造林初期10—30年内因整地与净初级生产力较低造成的暂时性碳损失，随林龄增长可逐步恢复。塑料地膜可能通过抑制下层自发植被、物理阻断地上凋落物入土以及提高土温增强微生物呼吸，减少SOC输入并加速矿化，且该效应主要作用于活性较高的POM组分；相比之下，MAOM的形成与稳定是长期过程，其早期损失可能需要数十年才能恢复。等效土壤质量法(ESM)对准确评估至关重要，因为固定深度法会低估AFH的SOC增益。研究结论强调：AFH的SOC响应强烈依赖于建园措施与土壤性质，避免连续塑料地膜覆盖更有利于土壤碳增益；生物量是AFH的主要长期碳汇，但其积累存在年龄拐点；树种组成对主要碳库影响有限，说明整地与土壤表面管理是改善田间尺度碳效应的更有效杠杆。同时，塑料地膜可能带来微塑料污染等环境代价，其造成的地上生物量固碳与土壤固碳之间的权衡仍需长期研究。