保护性耕作结合豆科轮作协同提升土壤有机碳固存的机制与潜力

本研究通过全球86个田间试验的荟萃分析，揭示了保护性耕作(CT)与豆科轮作(LB)协同提升土壤有机碳(SOC)的机制。结果显示CT-LB组合使SOC增加9.76%，显著高于单一措施(CT:5.25%；LB:2.21%)，其效应与总氮(TN)、>0.25mm团聚体(SA>0.25)和碱性磷酸酶(ALP)显著相关。该研究为气候智能型农业实践提供了重要理论支撑。

　　

随着全球气候变化加剧，土壤作为最大的陆地碳库，其有机碳(SOC)固存能力备受关注。过去两个世纪农业活动导致土壤损失了133Pg碳，而传统耕作(TT)通过破坏土壤结构、加速有机质分解进一步加剧了这一趋势。在此背景下，中国农业大学农学院与生物技术学院的研究团队在《Soil and Tillage Research》发表重要研究，通过整合全球78篇文献的86个田间试验数据，首次系统评估了保护性耕作(CT)结合豆科轮作(LB)对SOC的协同增效机制。

研究采用随机效应模型进行荟萃分析，通过自然对数响应比(lnR)量化处理效应。数据来源于Web of Science和中国知网，筛选标准包括：田间定位试验、CT与LB组合处理、SOC数据完整等。利用GetData Graph Digitizer提取图表数据，缺失的容重(BD)通过经验公式估算。采用随机森林模型识别关键驱动因子，通过高斯拟合和漏斗图检验数据分布与发表偏倚。

研究结果显示，CT-LB系统使SOC显著增加9.76%，高于CT(5.25%)和LB(2.21%)单独效应的简单相加，证实存在协同作用。这种增效在初始SOC<10g/kg、TN<1g/kg且BD>1.3g/cm³的暖温带(>18°C)地区尤为显著。机制分析表明，LB通过三方面增强CT的固碳能力：(1)增加总氮(TN)18.28%并降低碳氮比(C:N)12.22%，促进残体保留与降解；(2)提升微生物量碳(SMBC)15.28%和酶活性19.56%，加速残体分解；(3)促进土壤团聚(+14.54%)形成物理保护。随机森林模型显示，初始SOC、年均温(MAT)和BD是影响CT-LB效应的关键因子。

在技术方法方面，研究创新性地采用加权分析解决数据异质性问题，通过SOC储量公式(SOC_stock=SOC_content×BD×h×0.1)统一数据标准。针对63%研究缺乏标准差的问题，采用重复数加权法(w=(n_t×n_c)/(n_t+n_c))确保分析稳健性。通过4999次迭代计算95%置信区间，结合4999次随机化检验组间异质性(Q_b)。

研究估算了CT-LB的全球固碳潜力：在当前保护性农业区域(122-215Mha)全面推广可实现0.06-0.19Mg ha^-1yr^-1的SOC增量，相当于"千分之四"倡议目标的15-47%。这一发现为《巴黎协定》农业减排提供了可量化路径，同时揭示了豆科作物通过根际过程调控微生物-团聚体互作的深层机制。

该研究的创新性在于首次从全球尺度解析CT-LB协同固碳的定量关系，突破了传统单一措施研究的局限性。未来研究需加强深层土壤碳库动态监测，并结合稳定同位素(¹³C)示踪技术阐明碳在团聚体中的周转路径。这些发现为制定区域适应性农田管理策略提供了重要科学依据，对实现农业碳中和目标具有重大实践意义。