《Soil Security》：Long-Term Effects of Cover Crops on Soil Carbon Forms and Stocks Under No-Till Corn-Soybean Rotations in Midwest USA
编辑推荐：
为解决农业活动导致的土壤碳流失加剧全球气候变化问题，密苏里大学的研究人员开展了覆盖作物对深层土壤碳储影响的研究。他们在玉米-大豆轮作下，对比了5年和10年覆盖作物处理与无覆盖作物处理的土壤有机碳(SOC)、潜在矿化碳(PMC)和高锰酸盐可氧化碳(POXC)。结果表明，覆盖作物显著增加了表层SOC%和储量，尤其在10年田中0-60 cm土层SOC储量增加10.3%。长期覆盖作物可有效增加土壤碳储存，包括深层土壤，为气候变化减缓提供重要贡献。
在全球气候变化日益严峻的背景下，农业土壤扮演着“碳库”与“碳源”的双重角色。过去200年间，由于人类活动，全球土壤正以惊人的速度流失碳。据估计，农业活动已导致全球土壤产生了133 Pg C的“碳债”。在美国，农耕活动已从土壤中释放了约4±1 × 109Mg的碳。尽管农业是土壤碳流失的重要原因，但通过采用可持续的保护措施，农业土壤同样具有储存和封存碳的巨大潜力，成为抵消化石燃料燃烧排放CO2的有效碳汇。其中，覆盖作物（Cover Crops, CC）被认为是全球公认的气候智能型农业实践，它能在主要作物收获后的土地空闲期生长，通过地上和地下部分的生物量向土壤归还有机物质。然而，关于覆盖作物对深层土壤（超过常规研究的30 cm深度）碳储存的长期效应，特别是对土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）的组分、稳定性的影响，现有科学认知存在显著空白。大多数研究局限于短期和表层土壤的碳动态，低估了长期覆盖作物对深层土壤碳积累的影响。为了解决这些问题，来自密苏里大学的研究团队开展了一项深入探索，其研究成果发表在《Soil Security》期刊上。
为了探究长期覆盖作物对深层土壤碳组分和储量的影响，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法。首先，他们在美国密苏里州选取了5年和10年两种不同种植年限的覆盖作物试验田作为样本来源，采用液压土壤探针对0-100 cm的土壤进行分层采样（分为0-5 cm, 5-15 cm等7个层次）。其次，他们通过干烧法（使用LECO碳分析仪）测定总碳和无机碳，从而计算出SOC%。再者，利用高锰酸钾氧化法测定了反映生物可利用碳的POXC。此外，通过室内培养和LI-COR CO2气体分析仪测定24小时内释放的CO2，以评估潜在矿化碳（PMC）。最后，结合测定各土层的容重，计算了单位面积的SOC储量（SOC Stock）。研究采用独立样本t检验比较了覆盖作物与无覆盖作物处理间的差异。
1. 比较CC与NCC在5年Elsberry试验点的差异
在种植5年的试验点，虽然覆盖作物处理的SOC%在各土层均未显示出统计学上的显著增加，但在0-5 cm、15-30 cm等深度表现出数值上的提升。值得注意的是，在0-5 cm和45-60 cm深度，覆盖作物处理的高锰酸盐可氧化碳（POXC）值显著高于无覆盖作物处理。这表明在表层和特定深层，覆盖作物增加了土壤中生物可利用的活性碳库。土壤有机碳储量在0-60 cm土层累计增加了1.63%。
2. 比较CC与NCC在10年Bradford试验点的差异
在种植10年的试验点，覆盖作物处理的SOC%和SOC储量在大多数深度（7个土层中的6个）表现出数值上的优势。累积SOC储量在0-60 cm深度比无覆盖作物处理高出10.3%，显示出更强的碳储存效果。尽管POXC和PMC值在多数深度无显著差异，但SOC增加而POXC相对较低的趋势，暗示了积累的碳可能更多是稳定形态。
3. 覆盖作物对土壤有机碳及储量的影响
总体趋势是，覆盖作物在两个试验点都表现出比同年限无覆盖作物处理更高的SOC数值，尽管许多差异不显著。覆盖作物额外提供的有机物质输入是增加SOC的关键，其效果与覆盖作物生物量密切相关。本研究中两个试验点的覆盖作物生物量均超过了2 Mg干物质 ha-1，这是实现SOC积累的重要阈值。研究还发现，在5年试验点的5-15 cm深度，覆盖作物处理下的SOC%反而更低，这可能与“正激发效应”有关，即新鲜易分解的覆盖作物残体刺激微生物活动，加速了原有稳定SOC的分解。
4. 覆盖作物对土壤活性碳（POXC和PMC）的影响
POXC作为生物可利用碳的指标，在5年试验点的表层和深层显著高于对照，表明覆盖作物增强了这些土层的微生物活性底物供应。PMC（潜在矿化碳）值在两个试验点均未显示显著差异，但覆盖作物处理在表层通常有更高数值。这反映了覆盖作物对矿化过程的潜在影响，但在免耕扰动小的体系下，这种影响可能有限。
5. 长期稳定土壤碳形成的迹象
在10年试验点，一个有趣的模式是，在15-30 cm和45-60 cm等深度，覆盖作物处理具有更高的SOC%和储量，但同时具有更低（或相当）的POXC（活性碳）值。这种“高总碳、低活性碳”的组合，是形成更稳定、更不易分解的被动碳（Passive C）的积极迹象。这可能是由于覆盖作物（特别是禾本科黑麦）深根系统输入的木质化程度高的有机物，在深层缺氧环境下分解缓慢，有利于稳定碳的形成。这种稳定化机制需要较长时间才能显现，在5年系统中未观察到，凸显了长期研究的重要性。
6. 土壤碳参数的深度效应
所有碳相关参数（SOC%、POXC、PMC）的最大值均集中在0-5 cm表层土壤，并随深度增加而急剧下降，在0-45 cm深度的下降幅度（70-90%）远大于45-100 cm深度。这反映了植物残体输入和生物活动主要集中在上层土壤。然而，即使在深层，覆盖作物也显示出增加碳储存的潜力，尤其是在长期管理下。
7. 覆盖作物种植年限对土壤碳积累的影响
覆盖作物的效应随种植年限增加而增强。5年试验点的SOC积累速率（0-60 cm剖面）为0.19 Mg C ha-1year-1，而10年试验点提高至1.03 Mg C ha-1year-1。响应比（RR）分析显示，10年试验点在更多土层表现出对SOC和SOC储量的正响应。覆盖作物管理年限是影响SOC积累速率和总量的关键因素。
8. 对农民和政策制定者的实际意义与碳封存回报
本研究将碳积累量转化为CO2当量，量化了其环境价值。5年试验点累计封存了约3.49 Mg CO2-eq ha-1，而10年试验点封存了约37.8 Mg CO2-eq ha-1，表明长期管理的碳移除效益显著。这为政策制定者设计长期激励计划（如美国农业部NRCS的环境质量激励计划EQIP和保护管理计划CSP）提供了科学依据，以鼓励农民采纳并坚持覆盖作物等保护性农业措施。
结论与重要意义
这项研究通过结合5年和10年两种种植年限、深达100 cm的土壤剖面采样以及多种碳组分分析，清晰地揭示了覆盖作物在提升土壤碳储存方面的积极作用及其随时间深化的规律。核心结论表明，覆盖作物能增加土壤有机碳，尤其是在长期（≥10年）管理下，其增加深层土壤稳定碳库的潜力更为明显。尽管在短期（5年）内，部分土层可能因“激发效应”出现碳损失，但长期来看，覆盖作物与免耕结合的管理方式，通过增加有机物质输入（特别是深根输入的难分解物质）和利用深层土壤缺氧环境减缓分解，能够有效促进碳、特别是稳定形态的碳在土壤剖面中的积累与封存。
本研究的重要意义在于，它填补了关于覆盖作物对深层土壤碳动态长期影响的知识空白，为覆盖作物作为一项切实可行的气候缓解策略提供了坚实的科学证据。研究证明，将覆盖作物纳入免耕玉米-大豆轮作系统，不仅能提升表层土壤健康，还能显著增强包括深层土壤在内的整个土壤剖面的碳封存能力，为实现农业可持续发展和全球气候变化减缓目标做出了有价值的贡献。
