農(nóng)田土壤有機碳(SOC)是確保作物生產(chǎn)和糧食安全的土壤肥力的核心，同時通過調(diào)節(jié)溫室氣體排放影響氣候條件。凈有機碳儲量取決于通過微生物分解產(chǎn)生的有機碳輸入和輸出之間的平衡。農(nóng)業(yè)實踐通過直接改變有機碳輸入和間接改變微生物的環(huán)境條件，深刻影響農(nóng)田SOC(特別是表層土壤)。中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以不到世界10%的耕地養(yǎng)活了世界近20%的人口。從1980年到2010年，中國農(nóng)業(yè)大幅度集約化，種植新品種，大量投入化肥和農(nóng)藥，使糧食產(chǎn)量提高了65%。這種強化對有機碳的影響最近引起了科學(xué)界和決策者的主要關(guān)注，因為有機碳的變化不僅會影響未來的糧食生產(chǎn)，還會影響水和土壤質(zhì)量，以及溫室氣體排放。在國家尺度上主導(dǎo)SOC動態(tài)的潛在機制或過程仍未被完全理解。然而，了解這些機制或過程對于可持續(xù)管理農(nóng)田以支持不斷增加的人口，同時保持其環(huán)境功能至關(guān)重要。

Methods

本研究是“應(yīng)對氣候變化的碳收支認證及相關(guān)問題”專項的一部分(PNAS|中科院“碳專項”重要成果：中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量)，調(diào)查了代表中國典型種植制度的58個縣的4060個地點的SOC和相關(guān)作物管理數(shù)據(jù)。采樣地點與1980年第二次全國土壤調(diào)查所記錄的土壤采樣地點相同或非常接近。我們確定了近30年來中國農(nóng)田碳匯的變化，確定了主要的農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟和政策驅(qū)動因素及其對未來中國農(nóng)田碳匯的影響。

Results

1.SOC儲量和作物殘渣歸田

2011年全國58個縣的土壤SOC儲量(0-20cm)為32.90MgCha-1(表1)。土壤SOC儲量在西北和華北地區(qū)約為21.0MgCha-1，東北地區(qū)約為42.2MgCha-1。中國南部(包括西南、中南和華東)的SOC儲量為中等，為30.0-34.1MgCha-1。調(diào)查的58個縣的面積加權(quán)平均SOC儲量也表現(xiàn)出縣級SOC儲量的顯著變化，范圍從13.2-69.6MgCha-1(表S1)。2011年，通過作物秸稈還田(即植物殘體留在原處并犁入土壤，而不是焚燒或清除)的平均殘體返還量為0.89MgCha-1(表1)。2011年，華北地區(qū)的秸稈還田輸入最高，平均為1.38MgCha-1，東北地區(qū)最低，僅為0.39MgCha-1(表1)。

2.1980-2011年SOC儲量變化

中國農(nóng)田表層土壤有機碳儲量(0-20cm)由1980年的28.56MgCha-1(27.91-29.23MgCha-1)增加到2011年的32.90MgCha-1(32.34-33.47MgCha-1)(圖1和表1)。在此期間，有機碳儲量的凈增加量為4.34MgCha-1(3.44-5.22MgCha-1)(圖1)，平均增加了140kgCha-1y-1(111-168kgCha-1y-1)?？傮w而言，中國農(nóng)田土壤在這一時期起著重要的碳匯作用。但各主要農(nóng)區(qū)的有機碳儲量存在顯著差異:農(nóng)田SOC儲量在東部、中南、西南、華北、西北增加了8.33,6.67,5.49,5.14,和2.84MgCha−1,在東北地區(qū)農(nóng)田損失0.41MgCha−1(圖1),相當(dāng)于1980年1%的SOC儲量。

3.SOC變化的驅(qū)動因素

利用縣域土壤有機碳儲量變化率、氣候、初始土壤性質(zhì)和管理實踐數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析(表2)表明，中國農(nóng)田有機碳儲量變化與年平均氣溫、氮肥投入和作物殘茬碳投入呈正相關(guān)，與初始有機碳儲量呈負相關(guān)。偏相關(guān)分析和逐步回歸分析進一步表明，粘土含量是影響SOC儲量變化的另一個重要因素，但排除了其他所有因素的影響(表2)。1980年較低的初始有機碳儲量為有機碳固存提供了前提條件，這主要是由于作物殘茬投入的增加。

4.土壤碳固存的原因

在過去的幾十年里，中國農(nóng)田有機物輸入經(jīng)歷了三個不同的階段，這些階段與社會經(jīng)濟的變化密切相關(guān)。第一個階段的特征是在20世紀70年代后期有機物輸入較少(圖2A)。第二階段(1980-1999)是由化學(xué)施肥導(dǎo)致的根系生物量的穩(wěn)定增加所決定的(圖2B)。第三階段在1999年后，國家加強了退耕還林政策，并提出了實施的要求。為了促進作物殘留返還的實施，中國政府對農(nóng)民采取了各種經(jīng)濟激勵措施和示范項目，導(dǎo)致越來越多的作物殘留被返還到土壤中。前兩個階段主要是經(jīng)濟驅(qū)動。第一階段，農(nóng)家肥產(chǎn)量有限，作物秸稈燃料/飼料利用率低是主要原因。第二階段是由增加肥料投入所帶來的植物生產(chǎn)力和根系生物量的提高所驅(qū)動的。第三階段主要是政策驅(qū)動階段。政策強制執(zhí)行的地上殘余物返還導(dǎo)致了更多的有機碳投入。2000年以來，秸稈碳投入的快速增加對碳固存的效益最大。

5.作物殘渣投入對有機碳固存的貢獻

通過秸稈還田增加碳投入可以在土壤碳飽和之前提高碳濃度。在58個調(diào)查縣的4060個試驗點中，平均秸稈碳投入在1980年呈最低水平，1990年代初呈上升趨勢，而根系碳投入則呈持續(xù)上升趨勢，但上升速度較慢(圖2B)。1980年和2010年，作物根系和秸稈累積碳投入凈增量分別為7.96MgCha-1和10.67MgCha-1。

1980-1989年平均作物殘茬碳投入的變化以小的凈碳投入為特征(圖2B)。這一時期，秸稈碳投入極少，穩(wěn)定在一個較低水平(平均碳投入僅為0.005MgCha-1y-1，而根系碳投入為0.57MgCha-1y-1)。1990-1999年，秸稈和根系碳投入均穩(wěn)步增加，分別為0.023和0.018MgCha-1y-1。2000年以后，秸稈碳投入迅速增加，為0.077MgCha-1y-1，而根系碳投入穩(wěn)定在0.016MgCha-1y-1。作物根系和秸稈的輸入使土壤有機碳增量分別為1.30和1.74MgCha-1。由于過去30年土壤有機碳凈增量為4.34MgCha-1(圖1)，其他碳輸入(如糞肥)對土壤有機碳增量的貢獻可間接估計為1.30MgCha-1。因此，根系、秸稈和其他C投入分別貢獻了約30%、40%和30%的SOC蓄積量增量。

6.氮肥對有機碳固存的影響

在過去30年里，化肥投入的增加，特別是低成本氮肥的投入，提高了作物生物量產(chǎn)量，對SOC的固存做出了重大貢獻。但施氮量對有機碳積累的負效應(yīng)開始顯現(xiàn)。在約290kgNh-1y-1以下，中國農(nóng)田土壤有機碳的固定速率隨著累積氮肥投入的增加而持續(xù)增加，但之后下降。中國西北、華北和西南地區(qū)累積施氮量與土壤有機碳固定速率呈正相關(guān)，而中國東部地區(qū)累積施氮量與土壤有機碳變化速率呈負相關(guān)。中國的化學(xué)氮輸入異常高。過量的化學(xué)氮輸入可能會刺激纖維素占優(yōu)勢的作物殘基的分解，從而限制土壤中有機碳的固定，通過有利于細菌而不是真菌而降低C的保留效率，甚至通過刺激土壤酸化限制根系生長。它們還導(dǎo)致環(huán)境問題，如溫室氣體(特別是N2O)排放和嚴重的水污染?；适侵袊r(nóng)業(yè)集約化的關(guān)鍵。對高產(chǎn)和依賴化肥的糧食產(chǎn)量的追求使中國農(nóng)民相信，化肥越多，作物產(chǎn)量越高。因此，作為農(nóng)業(yè)集約化和增加固碳的重要組成部分，我國需要制定合理利用氮肥的新策略。

Conclusion

綜上所述，本研究結(jié)果表明:全國表層土壤(0-20cm)平均有機碳儲量從1980年的28.6MgCha-1增加到2011年的32.9MgCha-1，平均每年凈增加140kgCha-1;但各主要農(nóng)區(qū)土壤有機碳的變化存在差異，除東北地區(qū)外，各主要農(nóng)區(qū)土壤有機碳均呈上升趨勢。有機碳固存主要是由于經(jīng)濟和政策驅(qū)動的有機物輸入的增加:2000年以前，化肥提高作物生產(chǎn)力導(dǎo)致的較高根系生物量占主導(dǎo)地位，2000年以后，大規(guī)模實施作物秸稈還田政策之后，較高的秸稈殘渣輸入取而代之。中國東部土壤有機碳的變化與N輸入呈負相關(guān)，表明過量的N輸入加上耕層的淺度可能會限制中國農(nóng)田未來的碳固存。因此，通過有效調(diào)控對農(nóng)民的經(jīng)濟和政策激勵，可以實現(xiàn)農(nóng)田SOC的固存。這些發(fā)現(xiàn)為中國經(jīng)濟和政策驅(qū)動的土壤碳固存的原因和局限性提供了新的見解，并為許多正在經(jīng)歷類似經(jīng)濟和社會轉(zhuǎn)型的發(fā)展中國家的土壤碳管理提供了一些指導(dǎo)。