Albic Retisols中堆肥单一施用量对有机碳保留的调控效应：1.5年田间试验证据与DNDC模型百年预测

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Single compost application rates for organic carbon retention in Albic Retisols: field and model-based trials

　　

堆肥在农业中的应用兼具废弃物管理与土壤健康改善的双重效益。然而，从微生物群落功能角度出发，以实现碳保留为目标的堆肥单一施用量的实践推荐方案仍有待明确，这对于经济可行性与生态可持续性均至关重要。本研究整合两项试验以探明：（1）在田间试验中，对Albic Retisols（白浆土，一种具有低养分和低碳含量的特征性土壤类型）分别以低量和高量（30与70 Mg干重 ha^?1）单次施用堆肥，持续1.5年，监测碳保留指标（有机碳及微生物碳含量）与碳损失指标（基础呼吸及原位土壤呼吸）的短期动态变化；（2）利用DeNitrification–DeComposition模型（DNDC，反硝化-分解模型），在两种气候变化情景（SSP2-4.5和SSP5-8.5，共享社会经济路径）下，评估10至100 Mg ha^?1梯度堆肥施用量对稳定碳库保留的长期效应。短期试验揭示，在有机质加速分解的条件下，低量堆肥施用因土壤将碳同化至微生物生物量的能力相对于碳损失更高而更为有效。长期模型模拟试验表明，以不低于30 Mg ha^?1的施用量单次施用堆肥后，稳定碳库可维持二十年。上述结果表明，在较为温和的气候变化速率下，以30 Mg ha^?1的施用量对Albic Retisols进行堆肥单一施用，在至少二十年的时间尺度上展现出稳定碳库保留的应用前景。

**论文解读：Albic Retisols中堆肥单一施用量对有机碳保留的调控效应**

**一、研究背景与科学问题**

在某些地区，利用土壤资源支撑农业发展的能力十分有限。以俄罗斯莫斯科地区为例，该区域广泛分布着Albic Retisols（白浆土），这是一种养分和碳含量均较低的特征性土壤类型。Albic Retisols因pH值低、黏粒含量少以及团聚体结构稳定性差，导致其有机-矿物稳定化作用薄弱，碳保留能力先天不足；在耕作条件下，开垦最初七年内土壤碳损失速率可达1.0 Mg ha^?1 yr^?1。堆肥施用被认为是维持或提升土壤碳水平的有效农业实践手段，其年碳增量介于0.2至1.0 Mg ha^?1 yr^?1之间。

然而，市场上堆肥种类繁多，理化及生物学性质各异，难以给出统一的施用推荐方案。已有研究通常测试5至80 Mg干重（DM）ha^?1的施用量范围，个别案例可达200 Mg DM ha^?1，具体取决于堆肥性质、土壤类型及区域生物气候条件。在Albic Retisols上的前期试验已证实，每年施用20 Mg DM ha^?1堆肥可有效维持初始有机碳水平，但将该施用量提高1.5倍和3.5倍（即30和70 Mg DM ha^?1）是否能够显著提升土壤碳水平，尚待检验。

更为关键的问题在于堆肥施用的持续时间和频率。尽管每年长期施用堆肥可累积碳，但这一做法成本高昂且耗费人力，且施用过程中的机械扰动会导致额外的CO₂排放。相比之下，不规则的堆肥施用可在提升植物生产力和土壤有机碳的同时，降低财务成本和额外CO₂排放风险。为评估单次堆肥施用在碳稳定与转化方面的有效性，通常需要跨越数十年的长期监测试验，投入巨大。在此背景下，作物模拟模型可作为长期试验的替代手段，用于获取初步结果并指导未来长期工作的规划。近年来已有若干研究成功将田间观测与RothC、DNDC（反硝化-分解模型）或DayCent等模型相结合，预测有机改良条件下的长期碳变化，并评估不同气候变化预测下堆肥施用的可持续性。

然而，不同施用量堆肥单次施用于Albic Retisols以累积有机碳的有效性及其长期影响仍不明确。为此，研究人员整合了一项为期1.5年的田间试验与DNDC模型，以评估Albic Retisols中有机碳及其稳定组分的动态变化，并利用模型在两种气候变化情景（SSP2-4.5代表较温和气候，SSP5-8.5代表高排放激进情景）下预测长期效应。研究提出两项假设：（i）高量堆肥施用会加剧土壤微生物呼吸，导致Albic Retisols短期碳保留能力降低，碳损失风险增大；（ii）在较温和的气候变化条件下，中等施用量堆肥的单次施用可提供至少十年的稳定碳保留。

**二、关键技术与方法概要**

（1）**堆肥来源**：以果蔬废弃物与风干木屑按1:5比例混合进行堆肥，经历14天高温好氧阶段（密闭室强制通风，温度达80 °C）和34天露天成熟阶段，过2 cm筛后备用。筛分样品（d = 2 mm）测定pH_w为7.2，总碳含量16.4%，总氮含量1.6%。（2）**田间试验设计**：在俄罗斯莫斯科地区全俄植病研究所试验田（55.631902°N, 36.950092°E）的Albic Retisols上进行。2022年6月初，将风干堆肥以30和70 Mg DM ha^?1（分别记为T1和T2）的施用量单次施入0–20 cm土层，对照仅进行相同机械扰动。采用裂区设计，对照与处理各设4个小区（7.0 m × 2.8 m），种植茄子、西葫芦、番茄和甘蓝，2023年轮换种植甜菜、马铃薯和西葫芦。试验未施用矿质肥料。分别于2022年秋和2023年秋（即施用后5个月和1.5年）采集0–10 cm和10–30 cm土层样品，每年96个土壤样品。（3）**土壤分析**：总碳和总氮采用高温燃烧法测定；微生物生物量碳（MBC，Microbial Biomass Carbon）采用底物诱导呼吸法（SIR）测定；基础呼吸（BR，Basal Respiration）参照ISO 16072-1标准测定；土壤有机质按粒径分级为颗粒态有机质（POM，Particulate Organic Matter）和矿物结合态有机质（MAOM，Mineral-Associated Organic Matter）。（4）**土壤呼吸原位监测**：2023年生长季（6月末至9/10月），采用封闭动态气室法每周测定一次土壤呼吸（Rs），使用配备红外传感器的定制气体分析仪，并以LiCOR 8100A进行交叉校准。（5）**统计分析**：采用线性混合效应模型（LMM），固定效应包括堆肥施用量、土层和年份，随机截距为子小区。（6）**DNDC模型模拟**：利用DNDC 9.5版模型，以2022–2023年田间气象、土壤和管理数据参数化，模拟至2100年。气候强迫数据源自EC-Earth3地球系统模型，在SSP2-4.5和SSP5-8.5两种情景下，采用蒙特卡罗方法（30个集合成员）对气温、降水和土壤有机碳等变量进行不确定性评估。模拟了10至100 Mg DM ha^?1（以10 Mg为增量）共十个单一施用情景，并计算碳保留效率（CRE，Carbon Retention Efficiency），即稳定碳库变化量与堆肥碳投入量之比。

**三、主要研究结果**

**3.1 土壤碳含量与其他化学性质**

在试验第一年和第二年，与对照相比，施用堆肥的表层土壤（0–10 cm）碳含量均显著增加，底土层（10–30 cm）呈现相同趋势。然而，从第一次采样至第二次采样，对照、T1和T2的表层碳含量分别下降了0.23%、0.26%和0.36%，表明最高施用量处理的表层碳损失速率最大。底土层碳含量在试验期间未发生实质性变化。施用堆肥五个月后，处理小区表层和底土层的C:N比升高，但在试验第二年（施用后1.5年）恢复至对照水平。2023年各处理表层氮含量较2022年降低约1.2倍，而底土层碳、氮含量年间变化不大。堆肥施用降低了表层和底土层的pH_w，且高施用量加剧了这一变化。

**3.2 微生物碳与基础呼吸**

试验第一年，表层土壤微生物生物量碳（MBC）随堆肥施用量增加呈稳步上升趋势，而底土层仅在T1处理中观察到类似变化。至第二年，处理小区的土壤MBC在两层深度上均趋近对照水平。基础呼吸（BR）方面，试验第一年表层BR存在较大变异性，底土层BR较表层低1.3–1.5倍；随施用量从对照增至T2，各小区BR均呈上升趋势。试验第二年，所有小区土壤BR均下降，但T2处理表层和底土层BR仍较对照和T1平均高出1.2–1.3倍。这表明高量堆肥施用持续激活了负责分解土壤有机质（SOM）的微生物群落。

**3.3 原位土壤呼吸**

2023年测量期间，Rs变化取决于小区类型，休闲裸地和西葫芦小区的数值范围最大。Rs的时间动态与土壤温度分布趋势一致。在所有时间点上，从对照到T1再到T2，休闲裸地、甜菜、西葫芦和马铃薯小区中Rs呈递增趋势的比例分别为62%、17%、31%和16%。以微生物活动为CO₂主要来源的休闲裸地处理中处理间差异最为显著，T2的Rs平均比T1和对照高1.5倍。作物小区中处理与对照的差异在生长季末的10月最为明显。

**3.4 线性混合效应模型对土壤碳保留与损失指标的分析结果**

土壤碳含量和BR对包括堆肥施用量在内的固定因子最为敏感，解释方差超过50%，而MBC和Rs的解释方差较低。最高施用量（70 Mg DM ha^?1）带来了显著更高的碳含量、BR和Rs，但MBC未随施用量发生显著变化。因此，最高施用量并未将碳保留于Albic Retisols的微生物生物量中，反而导致碳以CO₂形式显著损失。固定因子“年份2023”和“底土层”导致碳、MBC含量和BR均显著降低，表明这些指标在时间和不同土壤深度上的耗竭趋势。值得关注的是，堆肥施用量与年份、土壤深度之间的双向及三向交互作用在所有响应变量中均不显著，说明堆肥施用量的效应在两年间和两层土壤深度间保持了一致性。相比之下，显著的“底土层 × 年份2023”交互项揭示，碳含量、MBC和BR在底土层中的时间衰减程度较表层有所减弱，表明无论施用量如何，底土层作为周转较慢的稳定层发挥了缓冲作用。

**3.5 模型模拟的土壤碳动态**

以试验数据初始化的DNDC模型模拟结果与实测Rs动态之间呈中等一致性（KGE = 0.45，r = 0.48，RMSE = 11.7 kg C ha^?1），模拟值在考虑观测标准差后总体落在实测数据范围内，但7月份存在系统性高估。模型预测表明，在两种气候情景和所有施用量的平均水平上，总碳含量预计约在五年后降至初始水平以下，而稳定碳含量在堆肥施用后的前二十年呈上升趋势。在SSP5-8.5激进气候情景下，预计本世纪末土壤稳定碳损失将加剧；而在约2060年之前，两种情景下稳定碳的下降趋势相似。对最初25年进行碳保留效率分析显示，施用量 ≥ 30 Mg DM ha^?1可获得一致的CRE（21%–24%），而较低剂量CRE降低。因此，模型结果表明，实现长期碳稳定至少需要单次施用30–40 Mg DM ha^?1的堆肥。

**四、讨论与结论**

**讨论要点**：田间试验表明，碳含量与施用量同步增加，但按单位施用量计算的处理间积累效率并无实质性差异，碳向微生物生物量的同化效率也未随施用量显著提升，而SOM分解却随有机改良量同步增强，这解释了高施用量下表层碳损失速率最大的现象。研究人员提出四种可能机制解释高施用量下碳以CO₂形式损失及土壤碳保留能力降低的原因：（1）养分可利用性增加导致的微生物“能量溢出”代谢；（2）微生物群落从寡营养类群向富营养类群转变，致使碳利用效率（CUE，Carbon Use Efficiency）下降；（3）容重降低与通气性增强；（4）pH降低引发的激发效应加速SOM分解。表层土壤是堆肥施用后最初1–2年内活跃碳循环和CO₂潜在损失的主要区域，而底土层则是不受施用量影响的更稳定碳库。

长期模型预测方面，DNDC模拟显示单一堆肥施用可使稳定碳库在约二十年内保持增加，总碳则约五年后回落至初始水平。≥ 30 Mg DM ha^?1的施用量可获得20–25%的CRE，而低于该阈值的施用量效率降低。从实践角度出发，单一高量施用与重复年度低量施用之间的选择取决于作物体系、运输物流、堆肥价格和可获得性等多种因素。在激进气候情景下，2060年后稳定碳损失可能加剧，这强调了采取适应性措施以维持北部农业生态系统韧性的必要性。上述预测因模型假设（DNDC以一级动力学模拟碳库转化，不显式模拟团聚体层级结构）、输入数据质量以及缺乏多年田间验证而存在局限性。

**研究结论**：本研究支持以下假设：在养分贫瘠的Albic Retisols上实施堆肥单一施用时，无需采用高施用量——短期试验已证实这一点。最高施用量（70 Mg DM ha^?1）较低施用量（30 Mg DM ha^?1）导致更大的土壤碳损失和更低的碳向微生物生物量的同化效率，这一现象被解释为土壤微生物采取能量溢出策略的表征。长期模型预测（100年）表明，在所模拟的情景下，单一堆肥施用可使稳定碳库在二十年内得到提升，但需强调这些发现仅为基于模型的预测，尚未经过长期田间观测的实验验证。根据模型输出，总土壤碳预计在五年内恢复至初始水平。因此，不仅需要关注堆肥的化学性质，还需理解SOM的质量。在更为剧烈的气候变化情景下，Albic Retisol分布区碳损失加速的概率较高，亟需立即实施额外的碳固存措施。以有限数量进行单次堆肥施用在经济上具有可行性，且基于模型的预测表明该实践可能对农业区土壤碳的长期保留产生积极影响，但此类长期效应仍需通过延长田间监测加以确认。