原文信息
题 目：Restoring particulate and mineral-associated organic carbon through regenerative agriculture
作 者：Aaron M. Prairie, Alison E. King, M. Francesca Cotrufo
期 刊：PNAS
时 间：2022.05.23
一作单位：Graduate Degree Program in Ecology, Colorado State University, Fort Collins, CO 80523
原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217481120
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研究背景
在农业发展过程中，土壤有机碳（SOC）逐渐从土壤中流失，而土壤中的有机碳不仅能有效降低大气CO2浓度，还能促进恢复土壤功能。为了应对SOC的逐渐流失，以往研究提出了“再生农业”的概念，不再只关注产量的提高，而是认为要改善粮食生产的环境，实现可持续生产，同时从中获取社会和经济效益。在研究再生农业时，种植制度集约化和牲畜一体化脱颖而出，但目前关于用再生方法提高SOC的研究很少，没有足够证据评价该方法对SOC的协同作用。为了得到SOC的两部分——颗粒有机碳（POC）和矿物伴生有机碳（MAOC）的应对管理策略，本文进行了一项全球系统的元分析，分别研究了POC、MAOC对于NT和种植制度强化的总体响应、氮肥和种植制度强化等农学调节剂对POC、MAOC的影响以及多种再生干预在作物-牲畜综合系统（ICL）中对POC和MAOC的潜在协同作用。
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研究结果
（1）POC和MAOC库存变化的分布和相对重要性
如图1所示，研究发现，在大多数土壤中，POC在总SOC存量中所占的比例比MAOC小得多（图1A）。因此，POC浓度的较大的相对变化只导致SOC存量的较小的绝对变化（图1B）。
（2）免耕（NT）和耕作制度强化可增加耕层土壤中的POC和MAOC
该研究为了比较再生管理在整个土壤剖面上的影响，在20cm处划定了表土和底土之间的关系，因为这是整个研究的平均耕作深度。如图2所示，研究发现，再生管理能够显著提高表土里的SOC含量，但是对于下层土壤中的SOC没有明显影响。
（3）NT对土壤有机碳含量的影响随实验时间、耕作频率和种植系统强度的变化而变化
由于SOC对NT的响应在表土中显著，本文进一步分析了农艺措施作为调节因素仅仅在表土中如何影响SOC、MAOC、POC对NT的响应程度，结果发现NT只在持续6年以上的实验中显著增加SOC、MAOC和POC。而耕作频率抑制了NT对MAOC的影响（图3B），但对POC没有影响（图3C），导致NT对SOC的影响只是略有增加（图3A）。与传统耕作（CT）相比，NT种植系统对单种经济作物的SOC含量影响要显著多于多种经济作物的系统，对多作系统的MAOC的影响最大，对于POC含量则没有显著影响。
（4）种植制度强化对土壤有机碳含量的影响随试验持续时间、强化类型和耕作管理方式的不同而不同
研究表明，只有在持续6年以上的实验中，种植制度强化才增加土壤中的碳含量（图4）。对比耕作管理方式发现，多年生种植与一年生种植相比增加的土壤有机碳最多。与休耕系统相比，一茬作物系统的POC对强化的响应最大。增加种植多样性并没有改变集约化对SOC的积极影响，但降低了MAOC和POC的影响，混养反而使得收益最小。总之，与NT系统相比，CT系统的SOC、MAOC和POC对强化的反应显著高于NT系统。
（5）作物-牲畜综合系统内的潜在协同作用
如图5所示，该研究将NT和耕作制度强化结合起来，综合分析这两个因素对耕层土壤SOC、MAOC和POC的协同作用。研究表明，将牲畜纳入一年生种植系统有增加SOC（图5A）和POC（图C）的趋势，但没有增加MAOC（图5B）。当牲畜一体化与种植系统集约化结合使用时，有机碳含量的增加大于单个措施影响的总和。
（6）再生做法在一系列土壤和气候条件下都是有效的
如图6所示，通过对含沙量、土壤pH值、年平均温度（MAT）、年平均降水量（MAP）和潜在蒸散量（PET）等种类的土壤的实验分析，该研究发现，MAT是NT对SOC、MAOC和POC影响的唯一显著减慢剂。对于种植系统强化，对SOC和POC而言，唯一显著的环境影响因素是含沙量，而对MAOC则不是。
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编者按
由于在农业土壤中再生土壤有机碳是缓解全球变暖和维持粮食生产的最可实现的自然解决方案之一，因此，为了更好地理解有机碳的形成和持久性，该研究将其分为两种不同的形式，颗粒有机碳和矿物伴生有机碳。本研究介绍了一项关于SOC、POC和MAOC对包括免耕、种植系统集约化和作物-牲畜一体化在内的再生农业措施响应的全球系统的元分析的结果。研究发现，再生措施增加了POC和MAOC，从而改善了土壤健康，促进了长期的碳储存。其中最有趣的发现是通过多种实践之间的协同交互来增加SOC的巨大潜力，尤其是在ICL系统中，协同作用十分显著。
转自：“西农RE学术社”微信公众号
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