黄土高原西部农田土壤无机碳与有机碳的来源及相互关系研究：对碳汇策略与土壤健康管理的启示

针对黄土高原农田土壤碳库动态机制不清的问题，研究人员通过δ13C同位素示踪技术，揭示了中低肥力土壤中成土碳酸盐(PIC)与有机碳(SOC)的耦合关系。研究发现中肥力土壤PIC储量(5.9-7.8 g kg-1)显著高于低肥力土壤(3-6 g kg-1)，且PIC与SOC呈显著正相关(P<0.05)，为干旱区碳 sequestration 提供了新见解。

　　

在全球气候变化背景下，土壤碳库作为陆地生态系统中最大的碳储库，其动态变化备受关注。黄土高原作为中国典型的干旱-半干旱农业区，其土壤中蕴藏着大量无机碳(SIC)，但长期以来学界对农田系统中SIC各组分的动态及其与有机碳(SOC)的相互关系认识不足。特别令人困惑的是，已有研究在黄土高原不同区域报道了完全相反的SIC-SOC关系：有的显示负相关，有的却呈现正相关。这种矛盾现象背后，可能隐藏着土壤碳酸盐组分（成土碳酸盐PIC与原生碳酸盐LIC）对管理措施响应的差异机制，这正是Xiujun Wang团队在《Geoderma》上发表的研究要解决的核心科学问题。

研究人员采用δ¹³C同位素示踪技术，对黄土高原西部兰州盆地6个典型农田剖面（3个低肥力、3个中肥力）进行了系统采样分析。通过测定0-200 cm土层的SOC、SIC含量及其稳定碳同位素组成，结合两终端混合模型计算了C3/C4作物对SOC的贡献比例，并创新性地建立了PIC估算方法。样本来自具有50-60年耕作历史的小麦-玉米轮作系统，其中LZ-24站点因具有15-20年灌溉历史被单独分析。

研究首先揭示了SOC的垂直分布规律。数据显示，中肥力土壤0-30 cm的SOC含量(9.93-12.44 g kg^-1)是低肥力土壤(4.35-6.46 g kg^-1)的两倍。同位素分析表明，C4作物（如玉米）对SOC的贡献(31-35%)仅为C3作物（如小麦）的一半，反映出玉米残体较低的留存率。值得注意的是，中肥力土壤亚表层(40-100 cm)出现明显的¹³C富集现象(δ¹³C_SOC从-22.79‰升至-21.52‰)，暗示着活跃的SOC分解过程。

在SIC研究方面，发现低肥力土壤的SIC含量(16.0-17.2 g kg^-1)整体高于中肥力土壤(13.2-15.2 g kg^-1)，但δ¹³C_SIC值在中肥力土壤(-4.53‰至-3.89‰)更为负偏。通过建立的PIC估算模型，研究发现中肥力土壤的PIC占比达50%，显著高于低肥力土壤的30%。特别重要的是，虽然整体SIC与SOC呈负相关，但PIC储量与SOC储量在0-100 cm呈现显著正相关(r=0.65-0.71)，这一关系在黄土高原多个区域得到验证。

讨论部分深入剖析了SIC-SOC关系的形成机制。研究表明，肥力提升可能导致两个相反的过程：一方面通过根系呼吸和SOC分解增加CO₂通量，促进PIC形成；另一方面又通过土壤酸化溶解LIC。这种"此消彼长"的双重效应解释了为何在区域尺度观察到的SIC-SOC负相关，而在组分尺度发现的PIC-SOC正相关。研究还指出，长期施肥可能通过提供额外Ca²⁺/Mg²⁺促进PIC积累，这与华北平原长期试验结果一致。

该研究的创新价值在于：首次系统阐明了黄土高原西部农田PIC的分布特征及其与SOC的耦合关系，为干旱区碳汇评估提供了方法论基础；建立的δ¹³C示踪技术为区分SIC组分提供了可靠工具；发现的PIC-SOC协同积累效应为制定"增有机促无机"的碳汇管理策略提供了理论支撑。这些发现对理解脆弱生态区碳循环机制、优化黄土高原农田管理具有重要指导意义，也为全球干旱区土壤碳模型提供了关键参数。未来研究需进一步量化不同农业措施对各碳组分的影响，并开发兼顾SOC提升和PIC固存的可持续管理模式。