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中国沙漠, 2026, 46(1): 50-62 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00311

西北干旱区农田管理方式对土壤固碳的影响

任浩奇,1,2, 杨荣,1, 李彤,2

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 甘肃临泽农田生态系统国家野外科学观测研究站/干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室,甘肃 兰州 730000

2.兰州财经大学 农林经济管理学院,甘肃 兰州 730000

Effects of farmland management practices on soil carbon sequestration in the arid region of Northwest Chinaa meta-analysis

Ren Haoqi,1,2, Yang Rong,1, Li Tong,2

1.Gansu Linze National Field Scientific Observation and Research Station of Farmland Ecosystem / State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.School of Agricultural and Forestry Economics and Management,Lanzhou University of Finance and Economics,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 杨荣(E-mail: yangrong@lzb.ac.cn李彤(E-mail: gansult@126.com

收稿日期: 2025-11-23   修回日期: 2025-12-16  

基金资助: 甘肃省重点研发计划项目.  25YFNA053
甘肃省农业科技支撑项目.  KJZC-2025-22
甘肃省重点人才项目.  2026RCXM005
甘肃省现代寒旱特色农业药产业技术体系岗位专家项目.  GSARS-06
甘肃省重大科技专项项目.  25ZDNA007

Received: 2025-11-23   Revised: 2025-12-16  

作者简介 About authors

任浩奇(1997—),男,甘肃平凉人,硕士研究生,主要从事农业生态学研究E-mail:2370236101@qq.com , E-mail:2370236101@qq.com

摘要

农田管理方式的合理应用在提升西北干旱地区土壤有机碳(SOC)方面具有巨大潜力。然而,大部分数据来源于单一定位试验,关于全域尺度、多措施协同的提升效应存在不确定性。本研究整合2000年1月至2025年8月发表的112篇文献的697组数据,比较绿肥种植(单作、间作、轮作)、耕作方式(免耕秸秆不还田、免耕秸秆还田、翻耕秸秆还田)与施肥方式(配施、单施化肥、单施有机肥)对土壤有机碳含量的影响,并探讨绿肥品种、作物系统、土壤类型及气候条件等因子的调控作用。结果表明:(1)绿肥种植显著提升SOC,其效应依次为单作>间作>轮作;其中轮作条件下箭筈豌豆与毛叶苕子绿肥对SOC的提升幅度最高,增幅为32.27%和13.44%。(2)耕作的固碳效应表现为免耕秸秆还田>翻耕秸秆还田>免耕秸秆不还田;小麦与玉米秸秆适配翻耕还田,SOC增幅分别为32.67%与25.01%;棉花秸秆适配免耕还田,3种耕作处理固碳效应均随试验年限的增加而增加。(3)施肥措施对SOC的提升效应差异显著,整体表现为有机无机配施>单施有机肥>单施化肥;灰漠土中有机无机肥配施固碳增幅最高,灌漠土中单施有机肥对SOC的提升幅度最高,达48.25%。(4)各气候因子对固碳效应调控作用明显。海拔因子方面,免耕秸秆还田和不还田、有机无机肥配施和单施化肥在500~1 000 m固碳增幅最高;降水因子方面,绿肥间作和单作、翻耕秸秆还田在>180 mm区间固碳增幅最高;单施有机肥的固碳效应随气温的升高而降低。因此,基于区域条件优化绿肥、耕作与施肥管理组合,是实现西北干旱区农田土壤固碳效应最大化的关键途径。

关键词: 西北干旱区 ; 绿肥 ; 耕作 ; 施肥 ; 有机碳 ; 整合分析

Abstract

The rational application of farmland management practices offers significant potential to improve soil organic carbon content in the arid northwest region. However, most data from single-location field experiments. Leaving uncertainty about the synergistic effects of multiple practices at a regional scale. This study conducted a meta-analysis based on 697 datasets from 112 published articles from January 2000 to August 2025, It compared the effects of green manure cropping methods, including monocropping, intercropping, and rotation, as well as tillage practices, such as no-till with straw not returned to the field, no-till with straw returned to the field, and ploughing with straw returned to the field. Additionally, it examined fertilization methods, encompassing Combined application of organic and inorganic fertilizers, single application of chemical fertilizers, and single application of organic fertilizers, on soil organic carbon content. Furthermore, the study explored the regulatory effects of factors such as green manure varieties, cropping systems, soil types, and climatic conditions. The results showed that : (1) Green manure cropping significantly enhances soil organic carbon, with the effects observed in the following order: monocroppin >intercropping >crop rotation. Among the rotation systems, common vetch and hairy vetch resulted in the highest increases in SOC, with enhancements of 32.27% and 13.44%, respectively. (2) The carbon sequestration effects of tillage practices are observed in the following order: no-till with straw returned > plowing with straw returned > no-till with straw not returned. The highest SOC increases were observed with wheat and maize straw under plowing, with enhancements of 32.67% and 25.01%, respectively, while cotton straw showed the greatest increase under no-till with straw returned. Furthermore, the carbon sequestration effects of all three tillage treatments increased with the duration of the experimental period. (3) The fertilization treatments showed significant differences in their effects on SOC, with the overall order of efficacy being combined organic and inorganic fertilization > single application of organic fertilizer > single application of chemical fertilizers. In sierozem, the highest increase in carbon sequestration was observed with the combined application of organic and inorganic fertilizers, while in irragric anthrosols, the greatest enhancement in SOC was achieved with organic fertilization alone, reaching 48.25%. (4) Climatic factors significantly regulate the carbon sequestration effects. Regarding altitude, the highest carbon sequestration increases occur in the 500-1 000 m range with no-till straw returning to the field, as well as with the combined application of organic and inorganic fertilizers and the single application of chemical fertilizers. In terms of rainfall, the greatest increase in carbon sequestration is observed with intercropping and monoculture of green manure, along with returning straw to the field after ploughing, particularly in areas receiving more than 180 mm of rainfall. Additionally, the carbon sequestration effect of applying organic fertilizer alone diminishes as temperature rises. Therefore, optimizing the combination of green manure, tillage, and fertilization management based on regional conditions is key to maximizing the soil carbon sequestration effect in farmland of the arid Northwest China.

Keywords: the arid region of Northwest China ; green manure ; tillage ; fertilization ; soil organic carbon ; meta-analysis

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本文引用格式

任浩奇, 杨荣, 李彤. 西北干旱区农田管理方式对土壤固碳的影响. 中国沙漠[J], 2026, 46(1): 50-62 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00311

Ren Haoqi, Yang Rong, Li Tong. Effects of farmland management practices on soil carbon sequestration in the arid region of Northwest Chinaa meta-analysis. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(1): 50-62 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00311

0 引言

土壤有机碳作为陆地生态系统碳库的核心组成部分,其储量与动态变化对维持农田生产力、促进农业可持续发展及应对气候变化具有重要意义1。全球范围内,干旱半干旱区约占陆地总面积的41%2,尽管该区域土壤碳密度较低,但其巨大的空间范围使其在全球碳循环中占据重要地位。中国西北干旱区兼具生态脆弱性与农业生产功能,该区域水资源匮乏、土壤贫瘠化问题突出,农田有机碳含量普遍偏低,制约了区域农业高质量发展3。因此,探索适宜该区域的农田管理方式,提升土壤固碳能力,已成为当前研究的关键问题。

近年来,国内外学者围绕绿肥种植4-5、保护性耕作6与合理施肥7等管理措施对土壤有机碳影响开展了大量研究。朱亚琼等8研究发现豆科绿肥在干旱区农田中能显著提升土壤养分和有机碳含量,但不同绿肥品种(白花草木犀、鹰嘴豆等)与种植模式(单作、间作、轮作)对土壤的改良效应存在差异。耕作方式方面,免耕秸秆还田因减少土壤扰动、增加外源碳输入对土壤有机碳的提升效果最好9-10,但田慎重等11发现10~20 cm土层,翻耕秸秆还田的固碳效应优于免耕,说明耕作与秸秆还田组合的固碳效果需结合外界条件与试验周期综合考量。施肥管理中,有机无机肥配施可通过碳源补充与养分协同来提升有机碳积累效率,但苏永中等12指出在新垦绿洲风沙土中,单施有机肥的固碳效应可能更突出,反映环境条件对施肥效应的调控作用。然而,现有研究多关于单一管理措施或局部区域,缺乏对西北干旱区全域尺度、多措施协同效应的系统整合,且对绿肥品种、作物类型、试验年限及气候条件等关键因子的影响研究仍较零散。随着西北干旱区农业集约化程度提升,耕作方式革新、种植制度优化及施肥策略调整等管理措施被广泛应用,但其对土壤有机碳固存的效应及调控机制仍存在区域特异性争议,亟待系统量化与整合。整合分析(Meta-analysis)作为一种量化合成多独立研究结果的方法,可有效消除单一研究的样本量限制与地域偏差,揭示区域尺度上生态过程的普适规律13。目前,农田管理方式与有机碳关系的整合分析多集中于全国或湿润半湿润区14-15,针对西北干旱区的专项整合研究仍较匮乏。现有研究要么未明确区分干旱区特有的水热限制因子,要么未涵盖绿肥种植、耕作、施肥3类措施的系统对比,难以精准支撑该区域农田碳汇管理实践。此外,西北干旱区独特的土壤类型与作物体系,是否会导致农田管理措施的固碳效应产生影响,仍需基于大样本数据的系统验证。

为了评估不同农田管理方式对西北干旱区土壤有机碳的影响,本研究通过中国知网与 Web of Science 数据库收集了112篇文献的697对数据的测量结果。研究选取单作、间作、轮作3种种植模式,免耕秸秆不还田、免耕秸秆还田、翻耕秸秆还田3种耕作方式,以及有机肥无机配施、单施化肥、单施有机肥 3 种施肥方式,构建9种典型农田管理组合,其依据在于上述管理方式在西北干旱区已开展大量长期定位试验,数据可获性与区域代表性强;而其他管理方式(如生物炭还田、秸秆焚烧还田、旋耕、套作等)在现有文献中研究较少,暂未纳入分析范围。基于此,本文采用整合分析方法系统评估不同绿肥种植、耕作和施肥方式对土壤有机碳的固存效应,并探讨相关影响因子对固存效应的调控作用。研究旨在为西北干旱区农田土壤碳汇提升、耕地质量保育及农业生态系统可持续发展提供科学依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究在中国知网、Web of Science数据库检索2000年1月至2025年8月已发表的有关农田管理方式对土壤有机碳影响的论文,检索的中文关键词为“西北干旱区农田”和“耕作方式”或“秸秆还田”或“施肥”或“绿肥”和“土壤有机碳”;英文关键词“TS=(‘Northwest Arid Region’ AND ‘Farmland’ AND (‘Tillage practices’ OR ‘Fertilization methods’ OR ‘Cropping patterns’ OR ‘Green manure’ AND ‘Soil organic carbon’)”等。为保证研究的准确性,对检索到的文章按照以下要求筛选:①必须包含试验组和对照组,并包含土壤有机质或有机碳其中一个参数(假定土壤中有机质含碳58%来计算有机碳);②对照组和试验组数据需包含均值(Mean)、标准差(SD)和重复数(n),若SD值缺失,采用平均值乘以1/10来代替;③研究区位于西北干旱区,具体指新疆全境、甘肃河西走廊、内蒙古西北部以及宁夏北部;④为田间定位试验。具体的文献筛选流程及试验点位分布如图1所示。

图1

图1   文献筛选流程及试验点位分布

Fig.1   Distribution of experimental sites for the meta-analysis


1.2 数据库建立和分类

基于以上标准和方法,本研究共筛选出112篇文献,其中英文文献36篇、中文文献76篇,共有697条数据纳入分析。本研究将农田管理措施对土壤有机碳影响的整合分析分为3类9种处理:①种植方式(绿肥间作68组、绿肥单作34组、绿肥轮作48组);②耕作方式(免耕秸秆不还田25组、免耕秸秆还田58组、翻耕秸秆还田92组);③施肥方式(配施132组、化肥96组、有机肥54组)。为了系统评估不同环境与管理条件下土壤有机碳含量的变异特征,本研究进一步对收集与整理的文献进行亚组分析,构建绿肥品种、作物类型、土壤类型及环境与试验管理因子的亚组数据库,具体的划分标准见表1

表1   亚组分析的分类标准

Table 1  Classification criteria for subgroup analysis

亚组类型具体分类指标分类梯度
绿肥品种主要种植品种箭筈豌豆、大豆、毛叶苕子
作物类型主栽农作物棉花、玉米、小麦
土壤类型耕作层土壤类型灰漠土、灌漠土、其他(灰钙土、灌淤土等)
试验年限田间定位试验持续时间<5 a、5~10 a、>10 a
年降水量试验区域年均降水量<60 mm、60~120 mm、120~180 mm、>180 mm
海拔试验样点海拔<500 m、500~1 000 m、1 000~1 500 m、>1 500 m
年平均气温试验区域年平均气温2~4 ℃、4~6 ℃、6~8 ℃、>8 ℃

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1.3 数据分析

本研究将实验组(Xe)和对照组(Xc)的平均值之比作为效应比,以效应比的自然对数作为效应值,并计算其效应值的方差。

lnR=ln(Xe÷Xc)
V(lnR)=SDe2neSDe2+SDc2ncSDc2

式中:SDeSDc分别为实验组和对照组的标准差;nenc分别为实验组和对照组的样本量。

在数据合成时,由于纳入研究在土壤类型、气候条件、试验管理与年限等方面存在显著差异,研究间存在实质性异质性,因此本研究采用随机效应模型进行效应量的加权合并。该模型假定不同研究的真实效应量服从一个总体分布,既考虑了研究内抽样误差,也考虑了研究间异质性,较固定效应模型更适用于本研究的实际情况。为保证各独立研究的数据可靠性,避免简单平均导致的偏差,对处理数据进行加权,其权重(Wij )的计算公式为方差V的倒数,以平均效应值(R+ )量化处理组对对照组的整体影响,并以加权平均响应S(lnR+对各独立研究的效应比实施方差倒数加权。

Wij=1V(lnR)
lnR+=i=1mj=1kwijRiji=1mj=1kwij
S(lnR+)=1i=1mj=1kwij

式中:lnR+ 为加权之后的平均效应值;m为实验组总数;n为对照组总数;S(lnR+)为平均效应值的标准差。为便于解释,将加权后的实验组相较于对照组的百分比(%)变化作为响应比。

响应=(elnR+-1)×100%

同时,采用95%置信区间以评估效应量的精度与统计显著性,计算公式为:

95%CI=lnR+±1.96×S(lnR+)

若95% CI不包含0(或百分比变化率的CI不包含0),则认为处理组与对照组之间的差异在α=0.05水平上具有统计显著性。

1.4 数据处理

文献中图形数据采用GetData Graph Digitizer软件进行数字化提取,并使用Excel 2024建立文献数据库。Meta分析在Meta Win 2.1中完成,统计制图通过GraphPad Prism 10.1实现,空间分布图基于ArcGIS 10.8绘制。

2 结果与分析

2.1 不同农田管理措施对土壤有机碳含量的提升效应及差异

相较于传统耕种模式,不同农田管理措施对土壤有机碳含量均具有显著提升效应(图2),且不同措施类型的提升幅度存在明显差异。不同绿肥种植方式对土壤有机碳的提升效果为:单作(43.60%)>间作(23.55%)>轮作(19.89%),其中单作比间作和轮作分别显著提高20.05和23.71个百分点。从耕作方式看,免耕秸秆还田对土壤有机碳的提升效果最好(26.23%),比翻耕秸秆还田高3.99个百分点,免耕秸秆不还田的提升效果最低,仅为7.62%。从施肥处理方面看,有机肥无机肥配施、单施化肥和有机肥分别使土壤有机碳提高35.18%、10.24%和16.20%,其中有机肥与无机肥配施的提升效应显著优于单一施肥处理(图2)。

图2

图2   农田管理方式对土壤有机碳含量的影响

Fig.2   Effects of farmland management practices on SOC content


2.2 种植方式对土壤有机碳含量的影响

本研究整合文献涉及绿肥品种共13种,以豆科作物为主,占比达84.62%。其中箭筈豌豆(Vicia sativa,33.33%)、大豆(Glycine max,16.00%)、毛叶苕子(Vicia villosa,14.00%)占比较高(图3)。

图3

图3   试验涉及的绿肥品种占比及其对土壤有机碳的影响

Fig.3   Proportion of green manure species and their effects on SOC content


对箭筈豌豆、大豆、毛叶苕子3种主要绿肥按不同种植方式进一步分析可知,箭筈豌豆轮作使土壤有机碳含量提升32.27%,较单作、间作分别高16.46个百分点、13.48个百分点;毛叶苕子不同种植方式对土壤有机碳的提升效果与箭筈豌豆基本一致,表现为轮作(13.44%)>间作(3.87%);大豆则与之相反,单作(43.06%)的提升幅度明显高于轮作(4.92%)。

西北干旱区3种主要农作物(小麦、玉米、棉花)的种植方式对土壤有机碳的提升效果存在差异(图4)。其中,玉米与绿肥轮作的土壤有机碳增幅最高,为24.73%,分别较间作和单作处理提高2.87个百分点和10.51个百分点。小麦和棉花在与绿肥轮作模式下,土壤有机碳的增加幅度也均高于其相应单作与间作处理。在灰漠土中,不同种植模式对土壤有机碳的提升效果表现为单作(45.02%)>间作(35.00%)>轮作(10.76%);而在灌漠土中,各模式对有机碳的提升效应与灰漠土相反,轮作处理的增幅较间作高9.44个百分点。此外,在灰钙土、灌淤土等其他土壤类型中,不同绿肥种植方式也均能提高土壤有机碳含量。试验年限<5 a,绿肥单作对土壤有机碳的提升幅度最大,为46.49%。试验年限为5~10 a,绿肥间作对土壤有机碳的提升相对于<5 a提升了16.34个百分点,而单作和轮作均有不同程度的下降。超过10 a后,绿肥轮作的提升幅度达到68.64%。

图4

图4   不同作物种类、土壤类型及试验年限下绿肥种植方式对土壤有机碳的影响

Fig.4   Effects of green manure cropping practices on SOC content across different crop types, soil types, and experimental ages


随降水量增加,绿肥单作对土壤有机碳的提升效应逐渐增强,降水量>180 mm时,绿肥单作和间作对土壤有机碳的提升幅度最高,分别为73.33%和31.27%(图5)。随海拔升高,绿肥轮作对土壤有机碳的提升效果总体呈上升趋势,其中海拔>1 500 m提升幅度达27.64%;而绿肥单作对土壤有机碳的提升效果随海拔升高而降低。

图5

图5   不同降水量、海拔、气温区间下绿肥种植方式对土壤有机碳的影响

Fig.5   Effects of green manure cropping practices on SOC content under different ranges of rainfall, altitude, and temperature


2.3 耕作方式对土壤有机碳含量的影响

秸秆还田条件下,翻耕处理对小麦和玉米土壤有机碳的提升效应最高,增幅分别为32.67%和25.01%;而棉花则表现为免耕比翻耕秸秆还田提升幅度高15.79个百分点(图6)。在灰漠土中,各耕作方式对土壤有机碳的提升效果依次为:免耕秸秆还田(30.37%)>翻耕秸秆还田(22.28%)>免耕秸秆不还田(6.67%);与之相反,在灌漠土中,翻耕比免耕秸秆还田的提升幅度高22.39个百分点;其他土壤类型下耕作方式对有机碳的影响趋势与灰漠土基本一致。随着试验年限延长,3种耕作模式对土壤有机碳的提升幅度均呈增加趋势,在超过10 a的试验中,翻耕秸秆还田处理的提升幅度最高,达31.23%。

图6

图6   不同作物种类、土壤类型及试验年限下耕作方式对土壤有机碳的影响

Fig.6   Effects of tillage practices on SOC content across different crop types, soil types, and experimental ages


随降水量增加,翻耕与免耕秸秆还田对土壤有机碳的提升幅度均增加,其中降水量>180 mm时,二者分别使土壤有机碳提高19.45%和29.12%(图7);而免耕秸秆不还田在降水条件下对土壤有机碳的提升幅度则与其相反。在海拔<500、500~1 000、1 000~1 500、>1 500 m,翻耕秸秆还田对土壤有机碳的提升幅度分别为 20.13%、25.70%、19.33%、27.97%;免耕秸秆还田与免耕秸秆不还田对土壤有机碳的提升幅度均在海拔500~1 000 m达到最高,且还田比不还田提升幅度高29.39个百分点。随温度升高,翻耕秸秆还田与免耕秸秆不还田对土壤有机碳的提升效果整体呈增加趋势,而免耕秸秆还田的提升效果降低,在2~4 ℃提升幅度最高,达42.15%。

图7

图7   不同降水量、海拔、气温区间下耕作方式对土壤有机碳的影响

Fig.7   Effects of tillage practices on SOC content under different ranges of rainfall, altitude, and temperature


2.4 施肥方式对土壤有机碳含量的影响

小麦、玉米、棉花在不同施肥方式下对土壤有机碳的提升效果均表现为:有机无机肥配施>有机肥>化肥(图8)。在灰漠土中,有机无机肥配施对土壤有机碳的提升幅度分别比单施有机肥和化肥高13.95个百分点和29.26个百分点,而在灌漠土中,单施有机肥比配施提升幅度高15.63个百分点。随试验年限增加,单施有机肥和配施处理对土壤有机碳的提升效应增强,在>10 a的区间内,其增幅分别达到55.02%和56.71%。

图8

图8   不同作物种类、土壤类型及试验年限下施肥方式对土壤有机碳的影响

Fig.8   Effects of fertilization practices on SOC content across different crop types, soil types, and experimental ages


随降水量增加,单施有机肥对土壤有机碳的促进作用逐渐减弱,而单施化肥则呈现相反趋势,其中在降水量为60~120 mm,单施化肥处理的土壤有机碳含量较不施肥处理降低1.74%(图9),而降水量超过180 mm时,有机肥与化肥配施对土壤有机碳的提升效应明显增强,增幅为37.16%。随海拔升高,单施有机肥对土壤有机碳的提升效果逐渐增加,而单施化肥与配施处理在海拔500~1 000 m的提升幅度最大,分别为24.39%和63.57%。配施处理对土壤有机碳的提升效应随气温升高而增强,在温度高于8 ℃时增幅达到34.59%;与之相反,单施有机肥的提升效果随气温升高而下降。

图9

图9   不同降水量、海拔、气温区间下施肥方式对土壤有机碳的影响

Fig.9   Effects of fertilization practices on SOC content under different ranges of rainfall, altitude, and temperature


3 讨论

3.1 绿肥种植方式对农田土壤固碳的响应

绿肥种植通过生物固氮与残体碳输入提升农田土壤肥力及碳汇能力,现有研究已明确其优势品种适配模式及环境调控机制,为区域农田可持续管理提供技术支撑16。本研究发现不同绿肥种植模式均能提高土壤有机碳含量,其中单作模式的提升幅度最高,为43.60%(图2),这主要归因于单作能够最大化绿肥的生物量生产与外源碳输入,同时避免与主作物竞争有限的水分资源17。而农业耕作的本质在于提升作物产量与经济价值,绿肥轮作和间作因能兼顾主作物生长与土壤培肥,避免单作绿肥对农田生产周期的独占性,在农业生产中的适应性与可操作性更强。本研究结果显示在西北干旱地区,绿肥间作比轮作对土壤有机碳的提升幅度高3.66个百分点。可能原因如下:一是间作系统通过绿肥与主作物共生期的地表覆盖,有效抑制土壤水分蒸发,改善了根际的水热条件,为土壤微生物活动和有机碳稳定创造了更有利的环境18。二是间作使绿肥的碳输入过程与主作物生长季同步,充分利用了水热条件最佳的时段,实现了生物量碳的持续、高效归还,其碳输入效率与稳定性优于在独立轮作季中面临水分胁迫的绿肥19

西北地区农田绿肥作物以豆科为主,本研究收集的区域内应用最多的3种绿肥为箭筈豌豆(33.33%)、大豆(16.00%)与毛叶苕子(14.00%,图3)。其中箭筈豌豆轮作处理的固碳效应优于单作,而大豆相反。这一差异主要源于箭筈豌豆较强的生物固氮能力20,可通过促进后续作物生长、增加残留碳输入而间接提升土壤有机碳;相反,大豆自身高产出的生物量(根、茎、叶)可直接向土壤输入大量有机碳。本研究还发现,绿肥种植方式对土壤有机碳的提升效果因土壤类型而异(图4)。在灰漠土区,绿肥间作提升效果优于轮作,主要由于灰漠土结构松散、持水力弱21,间作系统通过绿肥与主作物共生期的连续植被覆盖,改善根际水分状况,为有机碳积累提供稳定的环境。与之相反,灌漠土因其结构稳定、保水能力强21,轮作模式可避免间作体系中的水分竞争,使绿肥在独立生育期内充分生长,实现更高的生物量与碳输入。

绿肥对土壤有机碳的提升效应受种植模式与水热环境条件的共同调控。绿肥单作下,有机碳的提升效应随降水增加而持续增强(图5),主要是因为水分增加促进了微生物对集中输入的绿肥残体的分解与转化22。而绿肥间作则表现出非线性响应,其提升幅度在中等降水区间最低,可能与作物间水分竞争抑制绿肥生长有关;仅在降水充沛时(>180 mm),竞争缓解,其碳汇优势方能充分发挥。另外,海拔梯度通过调控碳输入与分解的平衡,决定了不同绿肥模式的固碳效应。本研究发现,绿肥轮作在海拔>1 500 m地区提升效果为27.64%,这与“负激发效应”原理相似:高海拔环境抑制了土壤微生物活性23,使轮作输入的有机物在低损耗下更易形成稳定碳库。相反,绿肥单作与间作的提升效果随海拔升高而降低,主因是低温环境严重限制了绿肥生物量生产,导致碳输入不足,成为主要的“碳源限制”。这表明,轮作模式在碳分解受抑制的环境中优势显著,而单作/间作模式的效应主要依靠外界的碳输入能力。

3.2 耕作方式对农田土壤固碳的响应

不同耕作方式对土壤有机碳的提升效果存在显著差异(图2)。其中,免耕秸秆还田处理对有机碳的提升幅度最高(26.23%),主要源于外源碳输入与减少矿化分解的协同机制:秸秆还田直接增加了土壤有机碳库的输入,而免耕则通过维持土壤团聚体结构的稳定性,有效降低了原有有机碳的矿化速率24。相比之下,免耕不还田处理的有机碳增幅最低,表明在缺乏外源有机物料补充的前提下,仅靠减少扰动对土壤碳库的扩容效应十分有限。进一步对比显示,在秸秆还田条件下,免耕比翻耕的有机碳提升幅度高3.99个百分点,这与张凤华等9研究结果一致,说明翻耕作业虽有利于秸秆与土壤混合,但土壤结构的剧烈扰动会加速土壤原有机碳的分解,从而部分抵消了秸秆输入的碳增益6。整体来看,免耕秸秆还田是实现西北干旱农田土壤固碳的最优管理措施,其核心在于协同增加了外源碳输入并降低了内源碳损失。然而,由于复杂的管理方式与环境条件导致不同耕作措施对土壤有机碳的影响并非一致。本研究发现,在小麦和玉米体系下,翻耕秸秆还田固碳效果最优(图6),这可能与禾本科作物秸秆量大25、翻耕能促进秸秆在耕层中的快速混合与初期腐解有关。而棉花在免耕条件下固碳效果最好,可能是因为干旱环境下,免耕为棉田创造了一个低扰动、高覆盖、保水稳温的土壤微环境26。该环境一方面最大化利用了棉花秸秆作为稳定碳源的潜力,另一方面通过促进微生物主导的稳定途径进行碳固持,同时最大限度地保护了土壤原有碳库。本研究还发现,在灰漠土中,免耕秸秆还田对有机碳的提升幅度最高,为30.37%,这符合保护性耕作的经典理论27。而在灌漠土,翻耕的固碳效果优于免耕,这可能由于灌漠土在长期灌溉下,耕层下部易形成紧实的犁底层或土壤容重较高28,灌漠土中翻耕的固碳优势,在于其能有效打破土壤压实障碍,通过改善物理结构来极大地促进秸秆腐解与有机质形成,其产生的正面增益超过了团聚体破坏造成的碳损失。进一步研究发现,随试验年限延长,各耕作处理下土壤有机碳含量均呈增长趋势,表明外源碳输入与保护性耕作对土壤碳库的影响是一个持续累积的长期过程。

基于整合分析数据,随降水量增加翻耕与免耕秸秆还田均提升土壤有机碳积累(图7),原因在于降水通过提升土壤水分有效性,直接缓解了秸秆分解过程中的水分限制,进而优化了微生物介导的碳转化过程29。本研究发现耕作方式对土壤有机碳的影响具有明显的海拔分异特征。在500~1 000 m海拔,水热条件适宜,免耕处理对SOC的提升幅度最高,还田比不还田提升幅度高29.39个百分点。而在>1 500 m的高海拔地区,翻耕秸秆还田对土壤有机碳的提升幅度最大(27.97%),这可能由于该区域低温限制了微生物活性,秸秆分解缓慢30,翻耕通过改善土壤通气性与孔隙结构,增强了微生物代谢能力,从而促进秸秆分解与有机碳的转化固定。随着温度升高,翻耕秸秆还田与免耕秸秆不还田对SOC的积累均呈增强趋势,但其驱动机制存在差异。在翻耕还田系统中,升温进一步激活微生物群落,加速秸秆腐解及其向矿物结合态有机碳的转化,直接提升固碳效率30。而在免耕不还田条件下,升温可能缓解了低温对土壤本底有机碳矿化的抑制作用,并可能通过促进植被生长增加根系碳输入,间接推动SOC的累积。

3.3 施肥方式对农田土壤固碳的响应

有机无机肥配施处理对土壤有机碳的提升幅度高于单一施肥处理(图2),这与大部分研究结果31一致,表明外源碳与养分的协同投入是实现土壤高效固碳的关键。单施有机肥虽直接补充了碳源,但养分释放慢,难以满足植物生长即时需求,导致碳固存效率相对较低32;而单施化肥因缺乏直接有机碳输入,其有机碳提升主要依赖作物根系分泌物和残茬的间接贡献。进一步研究发现,在灌漠土中,单施有机肥对土壤有机碳的提升幅度却高于配施处理(图8)。这可能与长期灌溉导致灌漠土耕层下部形成紧实犁底层有关。配施条件下,化肥所含速效养分易随灌溉水向下淋溶并在犁底层富集33,造成耕层有效养分的脉冲式供应,难以维持微生物代谢的稳定性,从而限制其对有机碳的转化与固持。相反,单施有机肥中的养分以缓效态存在,其释放过程与灌溉周期和作物吸收节奏更为同步,实现了碳源与养分的协同缓释。本研究还发现,随试验年限增加,单施有机肥和配施处理对土壤有机碳的提升效应增强,这一现象符合土壤碳库形成的渐进性规律。随着有机肥的连续施用,其通过促进微生物衍生碳的形成34、增强团聚体物理保护以及深化有机-矿物相互作用等多种途径,逐步推动土壤有机碳从活性库向稳定库转化。

随降水量增加单施化肥与配施处理对土壤有机碳的提升幅度增加(图9),可能是因为施肥处理促进了作物生长,从而增加了根系生物量与残茬输入。而单施有机肥则表现出相反趋势,这可能是在多雨条件下,单施有机肥虽能提供充足碳源,但雨水冲刷会导致可溶性有机碳流失35,同时适宜的湿度环境可加速微生物代谢,促进土壤原有有机碳的矿化36,从而削弱净固碳效果。在海拔500~1 000 m,单施化肥与配施处理对有机碳的提升幅度最大,分别为24.39%和63.57%(图9),表明该区域的水热组合、土壤性质及作物生产力形成协同环境,有利于施肥效应的充分发挥。此外,配施处理下土壤有机碳的提升效应随气温升高而增强,可能与温度促进微生物代谢、推动有机碳向稳定形态转化有关37;而单施有机肥则呈显著负响应,表明无化肥速效养分协同时,增温会打破土壤碳平衡。该结论与Shi等38的全球整合分析结论一致,其研究证实农田生态系统中单施有机肥的SOC固存效应与年均温呈负相关核心差异源于农田耕作对土壤团聚体的破坏会加剧增温下的SOC矿化。二者研究共同印证了养分协同供应对温度介导碳平衡的调控作用。Shi等38提出增温会强化微生物碳限制,无速效养分补充时微生物将启动土壤原有有机碳的激发分解;本研究进一步发现,西北干旱区土壤本底养分匮乏的条件会放大该效应,单施有机肥的缓效养分释放速率无法匹配增温下的微生物代谢需求,加之灌溉、翻耕等管理措施的叠加影响,其SOC固存效应的温度负响应显著高于全球农田均值。

尽管本研究通过整合分析揭示了西北干旱区不同农田管理方式对土壤有机碳的普遍影响规律,但仍存在一定局限性,在解释和推广结论时需予以考虑。首先,本研究的数据来源于已发表的文献,尽管经过系统筛选,但原始试验在设计、管理细节及数据报告完整性上存在差异,可能引入异质性。其次,Meta-analysis方法本身依赖于可用数据,本研究中部分管理措施(如生物炭施用、不同秸秆还田深度等)或因研究数量不足而未纳入分析,其效应有待进一步验证。此外,农田生态系统是一个受多因子协同影响的复杂系统,本研究虽考察了气候、土壤类型等关键协变量,但一些重要的田间管理细节(如灌溉制度、病虫草害防控措施等)难以量化纳入,可能成为未被控制的混杂因子。未来需要更多设计规范、长期定位的联网试验,并结合过程模型,以更精准地揭示管理措施对土壤固碳的调控机制,并评估其区域适用性。

4 结论

本研究通过整合分析西北干旱区697组田间试验数据,系统量化绿肥种植、耕作方式与施肥管理3类措施对土壤有机碳的固存效应及其调控机制。研究结果表明,所有管理措施均能提升土壤有机碳含量,但效应强度存在显著差异:在绿肥种植方式中,表现为单作(43.60%)>间作(23.55%)>轮作(19.89%);耕作方式中,免耕秸秆还田(26.23%)>翻耕秸秆还田(22.24%)>免耕秸秆不还田(7.62%);施肥方式中,有机无机配施(35.18%)>单施有机肥(16.20%)>单施化肥(10.24%)。管理措施的固碳效应受到作物系统、土壤类型及环境因子的协同调控。在绿肥品种方面,箭筈豌豆、大豆与毛叶苕子为区域优势品种,其中箭筈豌豆与毛叶苕子在轮作模式下固碳效应最高,而大豆在单作条件下表现最佳(43.06%)。主栽作物体系中,小麦与玉米秸秆翻耕还田的固碳增幅最大(分别为32.67%与25.01%),而棉花秸秆免耕还田的效应最为显著(35.22%)。土壤类型显著调控施肥效应,多数土壤中有机无机肥配施固碳效果最好,但灌漠土中单施有机肥的提升效应最高(48.25%)。气候因子对管理措施的固碳效应具有显著调节作用。因此,西北干旱区农田土壤固碳管理应遵循因地制宜原则,基于区域环境条件、土壤特性及作物系统特征,优化绿肥种植-耕作方式-施肥管理的协同配置,以实现农田土壤碳汇功能的高效提升与农业可持续发展。

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