2021, Vol. 53
2. 中国科学院大学, 北京 100049
土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，其碳储量约为大气碳库的3倍，且农田土壤碳是土壤碳库中受人类活动等外界条件影响最大的组成部分[1]。杨柯[2]利用中国第二次土壤普查数据和多目标区域地球化学调查方法估算出全国农田剖面(1 m深)土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)储量可达15.1 Pg。Wang等[3]研究指出土壤深层(> 20 cm)SOC含量约占1 m深土壤SOC库的60% ~ 70%，且稳定性碳组分占比随土层剖面加深而显著提高。Schöning和Kögel- Knabner[4]认为SOC在土壤中的周转时间随土层加深逐渐增加，深层碳驻留时间远大于表层碳，且深层SOC储量增加明显提升土壤固碳作用[5]，减少农田土壤碳排放量，减缓气候变化。Jobbágy和Jackson[6]认为土壤深层碳储量是土壤碳库的主要组成部分，其累积和排放量的微小变化会对影响土壤向大气排放CO2的速率和排放量，进而影响全球碳循环和气候变化。Yu等[7]根据SOC组分在土壤深层(> 20 cm)垂直分布特征估算得出，稳定性碳组分随土层加深而增加、SOC生物利用率降低，这意味着深层碳库的增加有利于土壤碳固定、增加土壤稳定性碳库、减少土壤碳排放量、降低温室效应的速率。可见深入理解深层土壤碳活动规律及其主要影响因素对准确估算土壤碳库储量、监测SOC动态变化及全球碳排放量具有重要意义，现有研究大多集中于土壤剖面上层碳库的分布，因而不能准确估算农田土壤碳库储量大小及其变化。
农田土壤剖面SOC的分布和变化受人类活动影响剧烈，如耕作方式[8-9]、施肥措施[10]和土地利用[11]等耕作管理措施，一方面通过表层土壤养分降解和淋溶输入深层土壤、外来碳源的直接输入等方式增加土壤固碳量[12]，另一方面农田耕作会通过扰动表层土壤环境加快土壤养分向下淋失或向大气排放CO2、促进作物吸收利用等方式影响土壤碳源功能。因此，合理调节农田管理措施可调节土壤碳库循环，加速或减缓土壤向大气排放CO2的速率，影响全球固碳效应和气候变化。Zhao等[13]报道了与不施肥相比，长期施用化肥和有机肥对0 ~ 20 cm土层SOC的提升幅度分别为8.24% 和41.15%，显著增加了表层土壤的碳汇功能。张婧[14]通过长期定位试验得出，与传统耕作相较，免耕+秸秆还田处理、传统耕作+秸秆还田处理显著增加0 ~ 80 cm土层的SOC含量约3.82%、2.07%，提升了土壤的固碳效果。Mi等[15]通过定位试验证明与旱作土壤相比，水田耕作提高总有机碳(TOC)含量约17.4%，这可能是由于长期水田耕作造成的淹水厌氧环境可降低土壤微生物活性、促进土壤养分的厌氧分解，从而减少土壤碳的损失量。前人研究多基于单个监测位点的农田SOC含量对管理措施的响应，如石小霞等[16]；或如孟凡乔等[17]集中研究农业管理措施对耕层(0 ~ 20 cm)SOC含量的影响，而深层SOC含量变化及SOC变化对全球碳循环和气候变化的影响阐释尚不明确；由于各地的土壤性质和光热条件不同，所得结论也有所不同，少有研究综合多种农田管理措施对农田土壤深层SOC含量的影响。
Meta-analysis是一种整合、比较多个研究的分析工具，可以在区域、全国甚至全球尺度上确定一个相对普遍的结论[18-19]。本文利用Meta-analysis整合已发表文献，综合比较不同农田管理措施下农田SOC的垂直分布特征，重点比较不同农田管理措施分别对土壤表层和深层SOC分布的影响差异，阐释深层土壤碳变化的主要影响因素，进而分析农田管理措施对土壤固碳作用和气候变化速率的影响，旨在筛选合适的农田管理方式，以达到提高作物产量和农田土壤的固碳作用、减少土壤CO2排放量的目的。
1 材料与方法 1.1 数据收集本文数据来源于CNKI和Web of Science两大文献数据库，设定检索时间为“1980—2019年”，以“中国农田”、“土壤剖面”、“土壤有机碳(有机质)”、“耕作方式”、“施肥措施”和“土地利用方式”等为关键词进行文献检索。为减少数据的随机误差，文献筛选标准如下：①研究区域为中国农田(大田试验)；②试验周期≥3a；③土壤采样深度为1 m，且土层划分清楚；④农业管理措施分别为耕作、施肥、土地利用方式；⑤文献中数据均值、标准差SD(或标准误差SE)、重复数等数据记录清晰。经过筛选，最终获得可用文献313篇、有效数据3 409对(表 1)。采用Excel 2010建立了农田SOC数据库，包括作者、发表时间、试验年限、土层深度、试验SOC的初始值和终值等。数据收集过程中，若文献中以图的形式表达SOC，则采用Get Data Graph Digitizer 2.24软件提取；如果文献中SOC数据以土壤有机质(soil organic matter, SOM)形式表达，则将SOM数据乘以转换系数0.58转化为SOC数值。
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表 1 数据分类与统计 Table 1 Groups used in meta-analysis |
试验期间不同施肥措施下SOC年平均变化率计算公式如下：
| $ M = \frac{{{\text{SOC}}t - {\text{SOC}}0}}{t} $ | (1) |
式中：M表示试验观测期间内SOC年平均变化率(g/(kg·a))；t为试验持续时间；SOCt和SOC0分别为SOC终值和初始值(g/kg)。
为消除试验站点之间的环境条件、土壤类型等差异造成的随机影响，准确判断试验期间不同施肥措施对SOC的净影响，即试验观测期间处理组(e)扣除相应对照组(c)后的相对年变化率MD (g/(kg·a))，计算如下：
| $ {\text{MD}} = \frac{{({\text{SOC}}t - {\text{SOC}}0)e - ({\text{SOC}}t - {\text{SOC}}0)c}}{t} $ | (2) |
MD为正值时，表示该处理增加SOC；反之，MD为负值时，则表示施肥后SOC减少。
MD的标准差(SDmean)用下式计算：
| $ {\text{SDmean}} = \sqrt {\frac{{(ne - 1) \times {\text{SD}}e + (nc - 1) \times {\text{SD}}c}}{{nc{\text{ + }}ne - 2}}} $ | (3) |
式中：ne和nc分别为处理组和对照组的样本量，SDe和SDc分别为处理组和对照组的标准差。若文中用标准误差(SE)表示样本间的误差，则用下式转换为SD：
| $ {\text{SD}} = {\text{SE}} \times \sqrt n $ | (4) |
若文中未出现SD或SE，用下式根据已提取SD进行估算[20]：
| $ {\text{SD}}j = \frac{{\sum\limits_i^k {S{D_i} \times \sqrt {{n_i}} } }}{{k \times \sqrt {nj} }} $ | (5) |
式中：SDj和nj分别表示未知标准差文献数据的标准差和样本量；SDi和ni分别表示第i个已知SD研究的标准差和样本量；k表示明确SD的文献共计k篇。
响应比(response ratios, RR)为数据收集合并后的统计学指标，并计算其95% 的置信区间(即95% CI)。利用R中Meta包进行Meta分析，若P≥0.1、I2＜50% 时，即纳入研究结果无异质性，采用固定效应模型(fixed effect model, FEM)进行Meta分析；否则采用随机效应(random effect model, REM)。RR可用下式计算：
| $ {\text{RR}} = {{\overline {xt} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\overline {xt} } {\overline {x0} }}} \right. } {\overline {x0} }} $ | (6) |
式中：
| $ \ln {\text{RR}} = \ln ({\raise0.7ex\hbox{${\overline {xt} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{\overline {xt} } {\overline {x0} }}}\right.} \!\lower0.7ex\hbox{${\overline {x0} }$}}) = \ln (\overline {xt} ) - \ln (\overline {x0} ) $ | (7) |
若95% CI不与0重叠，说明该处理对SOC的影响达到显著水平(P < 0.05)。若置信区间包含0，则说明与初始值相比，该处理对SOC的影响达不到显著水平；若置信区间全部大于0，说明该处理提高SOC含量，且达到显著水平；反之，则该处理导致SOC含量显著降低。
2 结果与分析 2.1 不同农田管理措施下SOC含量分布运用Origin对收集的SOC数据进行经典统计特征分析。由图 1频率分布曲线分析得出，SOC的偏度和峰度分别为2.27和11.29，说明其分布曲线右偏，SOC均值为13.09 g/kg，中值为10.84 g/kg，二者差值较大，说明全国农田区域内SOC分布不均匀，易受异常值、管理措施、地形、区域等因素影响。
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图 1 土壤有机碳含量频率分布 Fig. 1 Frequency distribution histogram of SOC concentrations |
图 2显示不同农田管理措施下SOC含量分布现状，不同管理措施间SOC含量分布差异明显，NT、MNPK和PF等管理措施下SOC含量明显高于其他耕作措施。不同耕作方式下SOC含量变化范围为15.77 ~ 19.84 g/kg；不同施肥措施下SOC含量变化范围为14.98 ~ 19.43 g/kg；不同土地利用方式下SOC含量变化范围为18.54 ~ 19.13 g/kg。
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(A ~ C分别表示耕作、土地利用、施肥措施下SOC含量分布) 图 2 不同农田管理措施下SOC含量的分布情况 Fig. 2 SOC contents under different farmland management measures |
Meta-analysis对长期定位试验的SOC数据分析结果(图 3)表明，不同耕作方式可显著提升整个土壤剖面的SOC含量，且提升幅度随剖面深度增加而减少；不同耕作方式对农田SOC的作用差异随土层加深而减小。从整个土壤剖面来看，耕作方式对0 ~ 60 cm土层SOC含量的提升作用显著大于深土层(> 60 cm)。
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(点和误差线分别代表响应比及其95%的置信区间，如果误差线与零线无相交表示处理与对照存在显著差异；括号内的数值代表样本数；下图同) 图 3 耕作方式对剖面SOC含量的影响 Fig. 3 SOC concentrations in soil profiles under different tillage methods |
不同耕作方式对SOC的提升效果表现为NTS > NT > CTS > CT > RTS > RT。NT和NTS作用下0 ~ 10 cm土层SOC年变化率显著大于CT(22.4%)和CTS (23.1%)，分别为35.4% 和36.1%；耕作扰动频繁的RT和RTS处理下SOC年变化率最小，分别为17.5%、19.7%；10 ~ 20 cm的SOC变化速率表现出相似趋势。由于耕作犁底层的扰动远小于土壤表层，且表层养分的向下淋溶积累作用，使得CT和RT作用下的SOC增长速率略大于耕作层(0 ~ 20 cm)。> 60 cm土层SOC的变化差异明显小于表层SOC变化，且不同耕作处理间差异随土层加深而减小。秸秆还田后，土壤耕层SOC的提升幅度略有增加，主要表现为CTS、NTS和RTS处理下0 ~ 10 cm土层的SOC变化速率分别为23.2%、31.2% 和22.1%；从整个土壤剖面来看，秸秆还田作用下SOC含量提升幅度约0.01% ~ 0.05%。从整个土壤剖面的SOC垂直分布来看，NTS处理是土壤碳累积效果最佳的耕作方式，可有效增加土壤固碳量。
2.3 施肥措施对农田耕层SOC变化的影响鉴于目前研究中，施肥措施对SOC影响的文献多集中于耕层土壤(0 ~ 20 cm)，为保证本文数据的准确度，分析施肥措施对SOC变化的影响差异以0 ~ 20 cm土层为主。分析结果表明不同施肥措施对土壤剖面上部的SOC含量均有明显提升效果。图 4中Meta-analysis结果表明，MNPK处理的SOC年变化率最大，为0.52 g/(kg·a)；NP处理最小，为0.06 g/(kg·a)；秸秆还田后SOC年变化率明显大于无机肥处理。
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图 4 施肥措施对耕层SOC年变化率的影响 Fig. 4 Mean differences in SOC change rates under different fertilization |
不同施肥措施下SOC的提升速率差异整体表现为：有机肥组(M、MN、MNP、MNPK) > 秸秆还田组(S、SN、SNP、SNPK) > 无机肥组(N、NP、NPK)，有机肥处理SOC的平均增速分别是秸秆还田组和无机肥组的1.54倍和3.33倍。无机肥处理组(N、NP、NPK)的SOC年变化率分别为0.12、0.06、0.17g/(kg·a)，秸秆还田组(S、SN、SNP、SNPK)对SOC增加幅度分别为0.13、0.15、0.30、0.46 g/(kg·a)，施用有机肥(M、MN、MNP、MNPK)对SOC提升速率分别为0.38、0.25、0.44、0.52g/(kg·a)。上述结果表明，与长期不施肥处理相比，施用化肥显著增加农田土壤对SOC的固定量，且化肥与有机物料(作物残渣、有机粪肥)或秸秆粉碎还田配合施用的固碳效果更佳。
2.4 土地利用方式对农田土壤剖面SOC变化的影响不同土地利用方式会引起土壤环境的改变及土壤剖面养分重分配现象，进而影响土壤剖面碳的分布差异(图 5)。整个土壤剖面的SOC增长速率差异表现为：水田(PF) > 水旱轮作(PUR) > 旱作(UL)。不同土地利用方式(PF、PUR、UL) 下0 ~ 10 cm土层的SOC变化率差异明显，分别为24.84%、20.92% 和17.21%。耕层土壤(0 ~ 20 cm)的SOC积累速率显著大于深层土壤，UL的碳汇效果最差，仅为PF和PUR处理的57%倍和74%倍。PF处理出现犁底层(10 ~ 20 cm)的SOC积累速率明显大于0 ~ 10 cm土层的现象，约为27.52%；而PUR和UL处理的犁底层SOC增长率锐减，分别为14.87%、14.21%。这可能是由于PF种植方式下造成长期渍水的厌氧环境，微生物代谢活动减弱、有机物料的分解速率小于表层，从而增加犁底层养分累积量[21]，而PF和PUR种植方式下表层土壤环境扰动频繁，微生物代谢活动加快，土壤养分矿化分解加速。SOC变化率的差异随土层加深而减小，且不同土地利用方式间SOC的变化幅度差异减弱，> 40 cm土层的SOC含量变化幅度约维持在2.17% ~ 12.42%。
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图 5 土地利用方式对土壤剖面SOC的影响 Fig. 5 Change rates of soil profile SOC contents under different land use modes |
农业耕作前的翻土、犁地等机械化操作改变土壤温度和湿度等环境因素，影响微生物的生长代谢速率和作物对养分的吸收利用速率[9, 12]，以及土壤碳的矿化分解累积量和农田土壤碳汇效应[22]。Liu等[23]指出频繁翻土扰动会加速土壤养分氧化分解淋失，免耕对耕层土壤(0 ~ 30 cm)的扰动减少，有利于保护微生物的生活环境，降低SOC的分解速率、减少养分损失量。Ma等[20]研究结果表明，免耕可以显著增加土壤微生物生物量碳(MBC)和MBC与SOC的比率，SOM水平表现出增加趋势，这主要是由于免耕有效地抑制了土壤过度通气，减少了SOM的氧化降解。Varvel和Wilhelm[24]认为免耕处理对土壤剖面(0 ~ 150 cm) SOC质量分数的提升幅度约18.6% ~ 43.8%，且对上层土壤(0 ~ 60 cm)的作用强度影响显著大于传统耕作，本研究结果与此相似。秸秆还田能够显著增加土壤的碳汇功能，一方面秸秆还田通过直接增加有机物质的输入，增加土壤碳输入[15]；另一方面秸秆覆盖还田有利于保持土壤温度、湿度等环境因子稳定，同时保护土壤结构不被破坏，间接促进了土壤碳积累[25]。本研究结果表明，与免耕相比，免耕覆盖处理在整个土壤剖面显著增加SOC含量约2.1% ~ 14.4%；与旋耕相较，免耕覆盖处理则增加剖面SOC约4.7% ~ 18.3%，这可能是由于机械化旋耕对土壤团聚体结构的破坏力更大[26]，促进SOC的矿化分解、向下层淋溶损失[27]。Wang等[28]通过长期定位试验证明，与传统耕作相比，免耕覆盖处理显著提升SOC水平约47.13%，这是由于免耕覆盖能够减少土壤养分受耕作扰动的分解损失、增加农田土壤的固碳量。石小霞等[16]和徐蒋来等[29]认为免耕覆盖处理通过农田覆盖秸秆可减少土壤水分蒸发及提高土壤温度，增加土壤碳向剖面深层运移，减缓土壤碳循环速率及CO2的排放，甚至减缓气候变化。
本研究表明，施用化肥和有机肥均能显著提高农田耕层SOC含量，且有机肥与化肥配施处理(MNPK)的固碳效果最佳，这可能是由于配合施肥可直接添加有机物、平衡养分，促进土壤团粒结构生成，从而增加SOC质量分数，这与许多研究结果相似[26, 29]。Lee等[30]认为氮肥能增加作物生物量及由此增加进入土壤的作物残体量；其次，施用铵态氮肥可以导致土壤酸化，能降低SOM的分解速率。研究认为有机肥与化肥配施，一方面有机肥本身含有高质量的有机速效养分，可直接增加土壤碳含量、促进养分下移、增加土壤剖面的养分含量[31]；另一方面，施用有机肥可有效改善土壤结构、促进团粒结构的形成[32]，从而提高土壤保肥能力。兰宇等[33]指出，施用有机肥既能保持土壤良好的结构，又能持续供给作物生长所需的养分。作物残茬、秸秆粉碎还田能调节土壤水热平衡，加快微生物活动、代谢速率[29]，促进秸秆降解和养分吸收转换，提高SOC水平。
由于全球土地利用方式发生改变而导致SOM分解产生了大量的CO2，这可能是由于土地利用方式的改变易引起植被类型、养分重分配作用及土壤碳库的累积和转化速率的变化[34-35]。本研究中，不同土地利用方式对农田碳的影响已达到100 cm，其中对0 ~ 40 cm土层SOC变化的影响程度最大；水田耕作的淹水条件使土壤长期处于还原状态，养分积累水平最大，SOC增长速率可达27.52%，这是由于厌氧环境会抑制微生物活动、促进有机物厌氧分解，从而增加SOC累积[36]。
3.2 农业管理措施对固碳效应的影响农田土壤SOC库的大小取决于SOC输入和输出之间的动态平衡。SOC主要来源于植物根系残留物、农业耕作时肥料及有机物的输入，而输出途径主要包括植物吸收利用、随水分运移至土壤深层及土壤CO2的释放[26]。SOC的分解速率和累计分解量均随土层深度加深逐层递减，但其深层SOC与表层SOC以相似的分解规律参与全球碳循环，且因深层土壤的碳储量大，其分解量对1 m深土层的SOC分解和累积总量贡献大[37]，因此，应将深层SOC与表层SOC在全球碳循环过程中置于同等重要的地位。
表层SOC主要来源于根系脱落物和农耕时肥料输入，而深层SOC主要来源于植物根系和根系分泌物、土壤生物及表层养分淋溶渗透至土壤深层[6]。表层碳会随耕作、降雨和淋溶作用运输至土壤深层，且表层向深层土壤淋溶的碳多为稳定性、微生物难利用形态碳[34, 38]。Strahm等[35]认为传统耕作还田处理下表层土壤中约98% ~ 117% SOC淋溶至深层土壤。Wang等[36]研究结果表明耕作时外源碳输入能有效激发土壤表层和深层原有稳定性SOC的矿化分解，但外源养分会补偿土壤分解损失部分，深层土壤的固持比例显著高于表层土壤，导致更高的净碳固持。Fontaine等[39]和Paul[40]研究发现添加新鲜有机肥后深层SOC矿化激发效应显著高于表层土壤，而深层土壤相比于表层土壤更稳定，说明稳定性SOC有更大的激发潜力，且会潜在地限制微生物的养分需求。Ekschmitt等[41]认为气候是影响表层土壤碳变化的主要因素，而微生物是影响深层SOC分解速率的主导因子。Fierer等[42]发现，深层土壤碳矿化速率比表层碳更易受温度、湿度等土壤环境因素影响，且深层土壤SOM比表层SOM的生物降解速率低、损耗率低，在土壤中周转时间长。前人研究发现秸秆还田和免耕处理下，深层土壤具有更高的固碳效率，一方面是由于深层土壤对环境的响应受到表层土壤的阻隔保护作用，深层土壤环境较表层环境更为稳定，且较高稳定性的SOC会潜在地限制微生物的养分需求[26]；生物扰动直接或间接地影响深层SOC的输入、分解、储存，SOC的垂直分布表现出明显的空间异质性。长期旱地耕作环境，养分输入少、土壤通气性好、微生物代谢活动强烈，促进表层养分向下淋溶损失，减小SOC质量分数[21]；水旱轮作条件下，季节性积水环境可有效制约微生物的代谢活动[30]，减少土壤CO2的排放量，增加土壤碳积累。
4 结论Meta-analysis结果表明，不同施肥处理对农田土壤固碳效果存在显著差异，由于化肥可速效提供植物所需养分，有机肥可有效改良土壤结构，增加土壤保肥性能，则氮磷肥处理对农田剖面SOC的提升效果最低，氮磷钾肥和有机肥配施对SOC的提升幅度最大，是农田土壤固碳效果最佳的施肥措施；保护性耕作和秸秆还田可减少土壤扰动频率，有效保持土壤环境稳定，显著提升农田土壤剖面的固碳效果，增加土壤固碳量，且各处理间对SOC水平的影响差异随剖面深度增加而减小；长期水田耕作造成的淹水厌氧环境能有效减缓土壤养分矿化分解作用，有利深层土壤养分蓄积，增加土壤碳库储量。气候是影响土壤表层SOC变化的主要因素，且土壤碳稳定性随土层加深而增加，影响深层土壤碳行为的主要因素是微生物群落结构和活性。配施有机肥、秸秆还田及免耕处理不仅增加土壤养分输入、保护土壤物理结构，并有效促进稳定性碳向深层土壤淋溶，增加深层土壤碳库储量，从而可减少土壤碳向大气的释放量，间接减缓气候变化速率。
综上可知，合理的农田管理措施一方面可直接增加土壤养分输入、补偿作物的吸收量、维持土壤碳库动态稳定；另一方面合适的农耕措施可保护、改良土壤结构，增加土壤保肥性能，促进稳定性碳组分向深层土壤输入，增加土壤碳储量，更是农田生态系统可持续发展的重要环节。
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2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China