绿肥施用下石灰性土壤有机碳固存与无机碳流失的权衡机制研究

推荐：本研究针对石灰性土壤碳管理中忽视无机碳(SIC)动态的问题，通过9年田间试验，揭示大豆/苏丹草绿肥替代休耕对土壤有机碳(SOC)固存(188.7-327.9 kg ha?1 yr?1)和无机碳损失(23.7-58.8 kg ha?1 yr?1)的差异化影响，为半干旱区碳汇优化提供新视角。

　　

在全球气候变化背景下，土壤碳库管理成为缓解温室效应的关键策略。传统研究多聚焦土壤有机碳(SOC)，却忽视了占干旱区碳库主导地位的土壤无机碳(SIC)。随着环境变化加剧，SIC对人为干预的敏感性日益凸显——中国农田近30年表层SIC损失量相当于同期SOC固存量的57.1%。这一"碳跷跷板"现象在施用绿肥的石灰性土壤中尤为突出：绿肥虽能通过生物量输入促进SOC积累，但其伴随的氮素输入可能加速土壤酸化，诱发碳酸盐溶解。如何权衡绿肥对SOC和SIC的相反效应，成为干旱区农业可持续发展的核心科学问题。

西北农林科技大学资源环境学院的研究团队在黄土高原开展为期9年的定位试验，创新性地将大豆(豆科)和苏丹草(禾本科)作为夏闲期绿肥引入冬小麦轮作系统。通过监测0-40 cm土层SOC、SIC、pH和Ca²⁺的时空动态，结合结构方程模型解析碳氮输入与土壤参数的互作关系，论文在《Geoenergy Science and Engineering》揭示了绿肥类型对土壤碳库的差异化调控机制。

研究采用高精度元素分析仪(SNC100-IC-E)测定总碳(TC)与SIC含量，通过差减法计算SOC；运用火焰原子吸收光谱仪(PinAAcle500)检测水溶性Ca²⁺；基于混合效应模型分析处理间差异，并构建结构方程模型(SEM)解析环境因子与碳库参数的因果关系。试验设计包含冬小麦-休耕、冬小麦-大豆、冬小麦-苏丹草3种处理，每年在开花期将绿肥粉碎还田至15-25 cm土层。

【SOC动态】

苏丹草处理展现出卓越的碳固存能力，其0-20 cm土层SOC年固存速率(0.23 Mg ha^?1 yr^?1)是大豆处理的1.2倍。深层(20-40 cm)表现更为显著：苏丹草使SOC损失减少68.6%，而大豆处理未显现深层固存效应。结构方程显示，碳输入量直接驱动SOC积累，苏丹草较高的生物量(3.15 vs 2.35 Mg C ha^?1 yr^?1)和纤维根系特性，为其碳固存优势奠定基础。

【SIC流失】

豆科绿肥暴露出明显生态风险：大豆处理0-10 cm土层SIC损失量较休耕增加16.9%，而苏丹草处理反降低57.6%。这种差异源于氮输入量的悬殊——大豆的年氮输入(155 kg ha^?1)是苏丹草的2.3倍，通过硝化作用释放更多H⁺。值得注意的是，尽管土壤pH平均下降0.06-0.13单位，其与SIC变化的脱钩现象(p>0.05)揭示了碳酸盐缓冲体系的关键作用。

【碳汇权衡】

综合评估显示，苏丹草系统在0-40 cm实现净碳汇(327.9 kg C ha^?1 yr^?1)，其SOC固存效率(0.11)显著高于大豆(0.09)。而大豆系统因氮诱导的SIC损失(58.8 kg ha^?1 yr^?1)抵消了29%的SOC增益。钙离子动态为机制解析提供新线索：表层Ca²⁺流失与SIC溶解同步发生(r=0.42)，而深层Ca²⁺积累促进碳酸盐再沉淀，暗示着碳的纵向迁移过程。

该研究首次量化了石灰性土壤中绿肥对SOC-SIC权衡的影响，挑战了传统"豆科绿肥绝对优势"的认知。发现禾本科绿肥通过"高碳低氮"特性实现碳库净增益，而豆科绿肥可能因"高氮诱发酸化"成为隐形碳源。这一结论为半干旱区制定基于碳汇优化的绿肥策略提供理论依据：在碳酸盐丰富区域，应优先选择生物量高的非豆科绿肥，必要时配合减氮措施以维持土壤钙循环平衡。研究同时警示，全球碳评估需同时关注SOC和SIC动态，避免因忽视无机碳流失而高估陆地碳汇潜力。