灌溉多年生木本作物土壤颗粒态和矿物伴生有机质的碳储量（全文精读）

摘要

作物年产量、土地利用变化和边际土地放牧等农业活动导致土壤碳（C）储量的损失。但是，土壤C损失在农业系统中并非普遍存在，当解决限制条件（如缺水等）时，土壤碳可适度地增加。为了表征这一问题，我们对作物生产需要灌溉的半干旱地区的已发表数据进行meta分析。研究发现，与当地未灌溉的邻近草地或灌木地相比，谷物、棉花、玉米和非木本园艺作物的土壤C储量下降。相比之下，灌溉的多年生木本作物的种植通常会导致土壤C积累。

本研究的主要目的是确定多年生木本作物土壤C的保留机制和C积累的限制条件。通过将土壤分为颗粒态有机质（POM）和矿物结合态有机质（MAOM），可以了解土地利用变化对土壤有机碳积累的影响机理。本研究采用滴灌法灌溉的8个苹果园和8个葡萄园，以及采用微喷灌法灌溉的8个苹果园和8个樱桃果园，分析这些果园的土壤中POM和MAOM组分中C和自然丰度¹³C的浓度。此外，我们还从农业用地附近的8个原生草场采集了样本进行比较。

结果表明，与原生生境相比，几十年的木本作物生产使表层（0–15 cm）土壤平均C含量翻倍增加，从10.1± 1.48 g C kg⁻¹到20.1 ± 0.96 g C kg^–1。表层土壤中大部分C与POM有关，其浓度从7.9 ± 1.19 g C kg^–1增加到14.2 ± 0.79 g C kg^–1，增加了80%。这与作物品种有关，在樱桃园中最高，在葡萄园土壤中最低。虽然土壤C保留较少，但MAOM含量增加了166%，从2.22± 0.33增加到5.91 ± 0.62 g C kg^–1;不同作物间的MAOM中C含量无显著差异，但其限制于最大值~ 12 g C kg^–1。MAOM和POM的δ¹³C值存在显著差异：MAOM的δ¹³C值较高，表明微生物作用较大，而POM的δ¹³C值较低，与优势植被一致。与原生生境相比，农业生境中两个组分的δ¹³C值均较低，这表明由于较高的C输入，在农业生境中积累了大量的未分解的C。研究表明，该地区的土壤通过在POM和MAOM组分中保留C来响应多年生木本作物的灌溉生产。MAOM的C积累受该地区土壤矿物的限制，但对主导土壤C含量的POM不受限制，而且可能容易受到管理措施和土地利用变化的影响。

前言

土壤有机质是陆地最大的碳库，约是大气或陆地植被的三倍。在过去的二十年里，它一直是人们密切关注的研究主题。这项工作主要集中在土壤有机质的保护，以及了解是什么影响了土壤的碳含量及其对气候变化的响应。1万多年来，农业使全球土壤碳含量减少了116亿吨，原生生态系统向农田的转化，以及草场的退化会造成土壤C的大量损失，这相当于当前十年的工业二氧化碳排放量。促进土壤有机碳(SOC)积累的管理做法是具有潜力的，因为它们不仅解决了这种土壤碳债务，而且有助于长期缓解大气中二氧化碳水平的上升，并提供一系列其他的共同效益。比如更积极的养分循环和更高的作物产量。

土壤C组分主要分为颗粒态有机质（POM）和矿物结合态有机质（MAOM）。颗粒状有机质主要由碎片化的、相对未分解的植物凋落物组成，易受干扰，其周转时间比MAOM快。矿物伴生有机质被认为是由微生物处理和POM解聚产生的小分子量化合物。强物理化学吸附和通过保护性团聚体得到的微生物衰变的空间分离相结合，意味着MAOM的周转速度比POM慢得多，可以在土壤中停留很长时间。从缓解气候变化的角度来看，增加MAOM组分的土壤碳含量比增加POM组分更可取，因为这代表了土壤中更稳定、更长期的碳库。然而，正如Janzen(2006)所讨论的，必须在固存的C和允许SOC周转释放养分和促进植物生产力之间取得谨慎的权衡。

多年生木本作物（如葡萄和其他果园），与一年生作物不同，在适当的管理制度下，它们具有长期贮藏的吸引力。多年生木本作物的寿命很长，它们的种植涉及很少或不耕作土壤，在树或藤行距间的草本植物可以促进土壤碳输入。通过将多年生木本作物下的土壤细分为MAOM和POM，可以更直观地了解有机碳循环过程。例如，Cotrufo等人(2013)开发的微生物效率基质稳定框架提供了凋落物输入与这些土壤组分之间的直接联系。植物凋落物输入丰富的复杂形式的C，如木质素，木质素有一个较高的能量成本与它们的分解和低所谓的微生物利用效率。微生物效率基质稳定概念表明，这限制了C流向MAOM组分，并倾向于增加POM含量，果园和葡萄园的木本修剪碎片可能就属于这一类。相比之下，作物行距间的草本植物的土壤C输入，如根系分泌物或细根周转量，会促进MAOM的形成，因为这些C源容易被土壤微生物群落分解。然而，MAOM的形成可能并不完全依赖于凋落物的数量，有人认为微生物和植物源化合物在土壤矿物表面的直接吸附也可能是一个重要的机制，特别是在自由排水的土壤中。不管确切地说，MAOM是如何形成的，通过分析POM和MAOM组分，我们可以获得驱动整体SOC积累或下降的潜在机制的重要见解。

另一个例子是耕作，通过考虑POM和MAOM含量，可以更直观地了解土壤整体碳变化。谷物和葡萄生产中减少耕作已被证明增加了土壤C含量，特别是在地表;这种增长主要归因于POM含量的增加，在较小程度上归因于MAOM含量的增加。在谷物和葡萄生产中减少耕作已被证明增加了土壤C含量，特别是在地表;这种增长主要归因于POM含量的增加，在较小程度上归因于MAOM含量的增加。当这部分POM通过团聚防止微生物分解，以及特定的土壤环境条件(如低氧水平、水饱和度和冰冻温度)存在时，POM就会增加。耕作破坏了保护性团聚体，增加了土壤氧水平，改变了土壤排水，从而增加了POM的分解率;相比之下，MAOM分解速率对这些变化的敏感性要小得多。尽管免耕对农业土壤的总体影响存在争议，但在许多情况下，表层土壤碳含量的明显增加被深层土壤碳的重新分布所抵消，这意味着土壤碳含量可能不会发生变化。耕作也可能影响作物产量和土壤残留，这些观测结果强调了在顶部0—20 cm或耕层以下取样的重要性，以充分评估管理措施对土壤整体碳浓度和库存量水平的影响。

POM和MAOM中稳定同位素δ13C的自然丰度不同；POM中的δ13C通常比MAOM更接近当前的植物凋落物输入，MAOM由于微生物处理而富集13C。通过稳定同位素分析结合POM和MAOM的分离，有机会跟踪新凋落物C的去向，其特征是13C含量低，进入这些组分。这为研究土壤碳含量对不同碳输入速率的响应提供了新的思路。最近对加拿大英属哥伦比亚中南部80多个商业管理的葡萄园和果园进行的一项区域研究表明，土壤C含量对作物的种植及其相关的管理措施反应迅速。我们推测，观测到的作物(苹果、樱桃园和葡萄园)之间的差异主要是由植物对土壤的C输入的差异驱动的，包括植物凋落物、根系分泌物和周转。

研究内容

本研究的目的是确定碳在多年生木本作物下的土壤中保留的机制，以及这种积累的任何限制。为了确定背景，我们首先对之前发表的同行评审文章进行了整合分析，以评估半干旱区灌溉农业对土壤碳储量变化的影响，并与邻近的原生草地土壤进行比较。然后，我们从之前的研究中取了一个土壤样本子集，将其分为POM和MAOM两个组分，并对其总有机碳和13碳含量进行了分析。我们利用POM和MAOM中碳的13C含量来确定新近碳输入到这两个组分中在天然和农业土壤以及作物之间的差异，并对比碳输入速率。MAOM的形成与能够稳定有机物的活性矿物表面的可用性密切相关。因此，我们利用土壤的结构分析来比较粘土含量和MAOM含量，以便更好地表征这些土壤以MAOM形式保留C的能力。我们的工作旨在解决三个假设：1)该地区土壤碳主要富集在POM组分中，这与作物类型有关; 2)由于矿物风化有限，C作为MAOM的储量受到限制;  3)粘土含量与MAOM含量呈正相关关系。我们工作的最终目标是通过适当的管理措施，更好地了解该地区土壤的碳储量及其范围，以长期提高土壤碳含量。 

数据源：1974—2017年的15项研究。

土壤样品采集自5种不同的作物系统：1)苹果园和2)滴灌系统灌溉的葡萄园，3)苹果园和4)微喷系统灌溉的樱桃园，5)沿山谷分布的非耕种的原生植被点。

采用直径为5厘米的螺旋钻在0—15厘米、15—30厘米和30—60厘米三个深度采集土壤样品。选择这些深度是为了确保充分表征表层以外的任何C浓度变化。

4.讨论

将土地转为农业用地通常会导致土壤有机碳的流失；最近的一项全球整合分析估计，土壤表层30厘米的有机碳损失中值为26%。我们对有灌溉的半干旱地区的研究进行的meta分析证实了这一总体趋势，表明碳储量相对于邻近的原生土壤在表层下降了10.3%，在该深度以下基本保持不变。

通过分析这些土壤中POM和MAOM的C含量，我们的目的是更好地了解在奥卡那根山谷，通过将原生场地转变为灌溉的多年生木本水果生产，显著的C收益。在大多数土壤中，POM通常只占土壤总碳含量的10—25%。Gregorich et al.(2006)通过对100多篇出版物和67个农业站点的数据的回顾得出结论，POM对土壤总C的贡献平均只有~ 21.6%，尽管值相差很大(1.6—65.1%)。类似地，最近在欧盟范围内对森林和草原的一项研究发现，大多数碳以MAOM的形式储存，特别是在碳含量低的土壤中。与这些总体趋势形成鲜明对比的是，尽管有机碳水平普遍较低，但奥卡那根河谷土壤中，大部分碳以POM形式存在，而不是MAOM。水果生产对C在POM和MAOM之间的分配影响较小；在0—15 cm深度的农田土壤中，POM对总碳的贡献为78%，而在农业土壤中为70%。在30—60厘米的深度，这种划分略有变化，但POM仍然是C的主要形式，在天然土壤中占69%，在农业土壤中占62%。多年生果实产量提高了POM和MAOM组分的C浓度;在0—15 cm处，MAOM含量增加了166%，POM含量增加了80%。平均而言，观测到的土壤C增加了10.01 g C kg−1)，在0—15 cm的深度，农业站点相对于自然站点的POM C增加63%，MAOM增加37% C.在30—60 cm深度，土壤C含量增加2.5 g C kg−1，在这里，49%的C浓度增加归因于POM C, 51%给MAOM。这些结果部分证实了我们最初的假设，即POM是C的主要组成部分。

许多因素可以解释为什么在整个区域的土壤中，大多数C以POM而不是MAOM的形式储存。其中最重要的可能是土壤的矿物组成，特别是缺乏初级和次级风化产物。在整个奥卡那根山谷，冰川在1万年前退缩，留下了相对年轻的地质景观。该地区由冰川碎屑形成的土壤支持天然生产力较低的本地植物；再加上半干旱的气候，这意味着只有有限的矿物风化发生了。矿物风化作用提供了能够稳定有机碳的反应表面，从而增加土壤碳含量和减少碳周转。在我们的原生地，无论粘土含量如何（粘土含量变化很大），测定的MAOM含量都相对较低(<4 g C.kg−1)，且MAOM水平不随土壤剖面深度变化。灌溉显著增加了整体MAOM的C的浓度，但与粘粒的含量之间关系不显著，这与我们第三个假设相反， 并表明活性矿物表面的有效性不仅仅是粘土含量的函数。这突出了一个事实，即并非所有粘土粒径的颗粒在稳定有机碳的能力上都是相同的；相反，这取决于不同的矿物性质和它们的风化程度。我们农业土壤中MAOM C浓度的增加很可能是C投入的增加以及数十年灌溉的影响的结果，灌溉已被证明增加了矿物风化率和粘土沉降。

一方面，土壤矿物限制力MAOM的形成，证实了我们第二个假设，多年生木本植物产量的管理措施促进了POM的积累。土壤扰动最小的几十年有利于这些作物的POM积累。粒状有机物对干扰特别敏感，耕作对土壤团聚体的破坏会导致POM的优先损失。管理实践的变化，如种植多年生生物能源作物而不是一年生作物，已被证明在6年内可使POM-C增加高达71%。在这些种植系统中，不仅土壤长时间不受干扰，而且在大多数情况下，来自长寿命作物和驱动排植被(可能是种植的或自然演替的植被)的植物碳持续输入土壤。这种连续的碳输入实际上可能比休耕更重要。

采用稳定同位素追踪C从凋落物到有机质的动态

我们采用自然丰度稳定同位素分析来追踪C从植物凋落物到POM和MAOM的动态。在天然和农业遗址的所有土壤深度，POM的¹³C含量都比MAOM低。POM的同位素值通常与现有的植被相似。奥卡那根山谷的果树、葡萄藤和大多数天然植被都有一个C3光合作用途径;C3植物产生的组织的平均δ¹³C值通常为-27‰，但也可在-32‰到-22‰之间。与POM相比MAOM的δ¹³C值相对富集，是由于微生物处理过程中的同位素分馏效应，C进入该组分。大部分的MAOM C是由微生物代谢物和残体形成的;由于微生物代谢植物凋落物或周转的成分，¹³C被保留，MAOM中富集¹³C，而¹³C则优先通过土壤呼吸而损失。MAOM的δ¹³C值在所有位置都随着深度的增加而增加，这是由于微生物处理的重复循环以及剖面更深的矿物表面对有机质的渐进吸附和再吸附。POM的δ¹³C值也随深度增加而增加，POM变化可能是原因；随着深度的增加，POM组分会变得更老，由越来越小的植物碎屑组成，这些植物碎屑的化学抗矿化能力越来越强。

POM和MAOM组分的δ¹³C值均受到灌溉农业的影响；两者在农田表层土壤中的富集程度都明显低于原生地。至少有三种可能的解释；首先，最明显的是新C进入土壤的量的差异，农业站点的新C进入土壤的量显著高于原生站点。与土壤碳相比，最近吸收的碳同位素减少，并导致在所有深度的农业遗址中碳的积累，而在相应深度的原生遗址中碳的分解较早。其次，在原生生境中，C4草(如束草)和/或具有CAM光合途径的多肉植物(如仙人掌)也可能有少量的C贡献;所有这些都是自然发生在奥卡那根谷，但不存在于农业遗址。平均δ¹³C值为-13‰，范围为-17‰— -9‰。第三，当地的植物可能比农业地区的植物更容易受到干旱胁迫，尤其是在夏季。干旱胁迫导致植物组织中¹³C的富集，因为叶片气孔关闭以保持水分，导致C同位素鉴别降低。因此，从这些植物中提取的土壤有机质将更加丰富。

在农业遗址，POM相对于自然遗址的δ¹³C值的差异遵循一个共同的模式，到30cm时逐渐减小，然后再次增大。这种情况发生的确切原因尚不清楚，但我们的农业地区和原生地区之间的一个显著区别是，木本多年生作物的根比原生地区的自然植被更深入土壤剖面。有可能这些深根周转量的碳输入是农业遗址30—60厘米δ ¹³C值的原因。在针叶林的¹³C标记研究中也发现了类似的结果，土壤有机碳δ¹³C值随深度增加而增加；在那里，这归因于根系的输入和可用于处理这些C输入的深层微生物种群的减少。

 管理意义

总的来说，与我们最初的假设相反，在农业站点上，作物系统之间几乎没有差异; 樱桃土壤中较高的C输入显著高于葡萄藤下土壤，但与苹果园土壤无显著差异。樱桃园土壤的MAOM 的δ13C也比微喷灌的苹果园更耗损，可能是由于较高的C输入所致，但滴灌苹果园和葡萄园的情况相同。之前在该地区的工作，使用了一个更大的数据集，发现了这些作物在土壤总量上的差异C存储;土壤C含量最高的是樱桃园(70土壤C含量最低的是葡萄园(48mg C.ha–1至30 cm)。本文的结果表明，在这些多年生木本系统中，POM和MAOM组分对C输入的增加都有响应，但MAOM对C积累可能有一个限制。在测量的有机碳浓度范围内，最大浓度约为12 g C kg–1，注意到1.5至37 g C kg–1。Cotrufo等人(2019)在欧盟的土壤中观察到类似的MAOM的C含量极限或拐点;在土壤有机碳浓度为~ 5—120 g C kg–1的范围内，土壤有机碳含量的极限较高，在50 g C kg–1左右，反映了更多样化的风化土壤的存在。MAOM的C具有有效饱和点，这意味着一旦达到这个极限，进一步的C收益只能通过POM积累发生，而POM积累基本上是不受限制的。这对该地区灌溉农业蓄积量的稳定具有重要意义。例如，由于土壤扰动和耕作，土地利用的变化(如转换为作物年产量)可能会降低POM的C浓度，并减少生长周期休耕期间的C输入。事实上，在以前种植苹果的土地上建立葡萄园会导致土壤C储量相对快速下降(超过9年)；根据目前研究中收集的数据，从苹果园到葡萄园土壤碳储量的损失似乎是由POM的变化驱动的。将农业土地恢复到自然状态也会导致POM的C的损失，因为本地植被的C输入速率将低于灌溉农业，从而抵消了大气中二氧化碳的任何长期储存和气候变化减缓效应。

5 结论

与大多数农业系统，包括其他半干旱地区的灌溉一年生作物的土壤相比，不列颠哥伦比亚省奥卡那根谷的木本多年生作物下的土壤与邻近的本地土壤相比积累了大量的C。通过将土壤细分为MAOM和POM，对这些碳增益有了更直观的理解。POM和MAOM组分的C含量对种植均有积极的响应，但最大的百分比变化与MAOM组分有关。也就是说，在这些土壤中，MAOM不是C的主要形式，它的形成可能受到该地区土壤矿物风化程度的限制。不同于许多农业土壤，这些土壤中的大部分碳以POM形式存在；取样的天然土壤也是如此。使用天然丰度¹³C分析，确认了MAOM和POM形成的差异，以及栽培带来的较高C输入的影响。微生物处理后，MAOM相对于POM富集¹³C；而POM的¹³C耗损程度更高，推测与C3常生植被更相似。通过建立, POM是这些土壤中占主导地位的C组分，在奥卡那根山谷中，苹果果园转变为葡萄园后，人们对土壤C含量的快速变化(超过9年)有了更好的了解。这一观察结果还突出表明，尽管灌溉农业在整个地区导致了土壤碳的有益积累，但这些碳的收获很容易受到作物或管理做法变化的影响。为了继续受益于较高的土壤C含量，提高农业生产力和帮助减少大气二氧化碳水平，特别需要采取促进和保护POM的管理措施。

图1. 灌溉农业土壤中相对于邻近本地原始土壤的土壤碳储量变化(%)。

图2. 原始(a, b, c)和农业(d, e, f)土壤深度下POM和MAOM组分的有机碳浓度、相对质量比例和δ13C值。

图3. 原生和单个农业场地类型(滴灌葡萄园、微喷灌和滴灌苹果园、微喷灌樱桃园)之间的C组分和δ13C值的差异，其中未填充的圆圈为POM，填充的三角形为MAOM。

图4. 土壤有机碳(SOC)浓度与(a) MAOM和(b) POM碳浓度的关系，其中填充圆圈为0-15 cm土层，灰色圆圈为15-30 cm土层，未填充圆圈为30-60 cm土层。

图5. 原生(填充圆圈)和农业(未填充圈)土壤粘土含量与MAOM C浓度的关系。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115185

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