气候智慧型农业措施对中国农田土壤有机碳含量影响的Meta分析

宫园，徐玉婷，潘友菊，郭树洁

（安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241002）

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，而土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）作为农田土壤养分转化的核心[1]，与作物产量和温室气体排放有着紧密的联系，在全球气候变化的背景下越来越受到人们的关注。SOC 主要受碳输入和碳输出水平的影响，在环境和管理条件不变的情况下，其含量一般是处于平衡状态的。而随着全球气候变化影响日益加剧，这一平衡已经被打破，预计未来气候变化还将进一步加速SOC 的分解，削弱土壤固碳能力[2]。农田土壤碳库是陆地生态系统中最活跃、受人类活动等外界因素影响最明显的组成部分，促进农田SOC固存是温室气体减排的重要途径[3]。因此寻求切实可行的途径优化农业行为，对于促进农田土壤固碳能力、提高农业对气候变化的适应能力以及缓解全球气候变化至关重要。2020年9月22日第75届联合国大会一般性辩论中，中国向全世界宣布将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争二氧化碳排放在2030年达到峰值，2060年实现碳中和[4]。该目标对温室气体主要排放源之一的农业部门无疑是一种巨大挑战，我国农业亟待向绿色低碳转型。

在此背景下，气候智慧型农业（Climate-smart agriculture，CSA）作为一种将以往低碳农业、绿色农业、有机农业、循环农业等现代农业发展理念融合和升级的新型农业，在全球得到了推广[5]。我国于2014 年起陆续开展CSA 试点项目。CSA 包含的农业措施非常广泛：Arslan 等[6]指出只要有助于持续增加农业产量和收入、提高适应气候变化的能力、减缓温室气体排放的农业实践，都可被认为是现实的CSA；还有学者将CSA 措施归纳为水、土、气象、碳、品种、营养、市场智慧等方面[7-8]。本研究主要关注与我国农田土壤碳库管理有关的措施，包括免耕、少耕、秸秆还田、种植绿肥、施用生物炭、轮作间作等，实施这些措施可以增加土壤外源有机物质输入，或通过减少对土壤的干扰降低碳损失，从而达到增加农田SOC 的目的[6，9]。此外，这些措施还可以改善土壤团聚化和微生物代谢过程、增加微生物和微生物源有机碳的数量、促进SOC向深层迁移等，进而改变农田SOC 含量[10]。国内外众多学者就CSA 措施对SOC 的影响效果进行了研究，通过田间定位试验或Meta 分析的方法验证了生物炭[11-12]、秸秆还田[13-14]、绿肥作物[15-16]、免耕[17-18]等对农田SOC和土壤健康在不同程度上的促进作用。

尽管各类CSA 措施对SOC 含量的有利影响已在一些研究中被证实，但不同措施实施效果差异大，单项措施并不能客观全面地代表CSA 的实施效果。除此之外气候条件、土壤理化性质以及管理措施等[19-20]会在很大程度上影响SOC的含量，CSA措施的实施效果往往因外界环境条件而异[21-22]。Das 等[23]的Meta 研究表明由于不同的气候、土壤、实施强度等，在非洲实施CSA 对于SOC 的促进效果优于亚洲和南美洲。甚至有一些研究表明CSA 措施对SOC 含量具有负面影响[24-25]。

目前我国CSA研究尚处在起步阶段，CSA概念尚未被广泛接受，关于其对我国农田SOC的影响也有待进一步探究。虽然已有一些学者基于田间定位试验探究了CSA 概念包含的各项措施对我国农田SOC 的影响，但如前所述这些研究多聚焦于单项措施，且试验的结果往往因试验地特定的环境条件和试验管理方法而异。在我国区域农业生产气候、土壤、管理等条件差异大的现实情况下，单项措施定位试验所得结果的参考性往往不强，难以从区域或全国尺度系统揭示CSA措施对我国农田SOC影响的综合效应及机制，无法为因地制宜选择最合适的CSA 措施提供参考。这就导致CSA措施的地区适用性未能得到很好解决，在一定程度上影响了CSA在我国的进一步推广。

综上所述，充分实现农田固碳目标往往需要同时实施多项CSA措施，而因地制宜选择最合适的措施能够使实施效果达到最优化。当前CSA 措施对我国农田SOC的影响仍缺乏全面系统的评估，因此本研究利用Meta 分析对全国范围内78 篇已发表文献的470 条大田试验数据进行汇总定量分析，拟达到如下研究目的：①选择施用生物炭、免耕、种植绿肥和秸秆还田这4 种在我国实施较为广泛的CSA 措施，重点比较4 种措施对农田SOC影响效果的差异，为全面客观认识我国CSA 的实施效果提供依据；②考虑到上述4 种措施均在特定的试验场所实施，其对SOC的影响可能会受到外界环境的影响，因此将数据按气候、土壤、种植模式、试验时长等多个因素划分组别，利用亚组分析揭示4 种CSA 措施对农田SOC 的影响效果随这些因素的变化规律，并探究CSA措施在我国不同地域（南方、北方）实施效果差异；③根据上述结果探寻不同CSA措施对促进SOC含量提升的最有利外部条件，为在不同地区选择最适宜的措施提供参考，这将有助于CSA在我国的进一步推广，为农田SOC管理和减缓气候变化提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 数据收集

本研究数据来源于CNKI 和Web of Science 两大文献数据库，设置检索时间为2002—2022 年，CNKI检索关键词为“土壤有机碳”“中国”“生物炭或生物质炭”“免耕”“绿肥或覆盖作物”“秸秆还田或秸秆覆盖”等；Web of Science 检索关键词为“soil organic carbon”“China”“biochar”“no-tillage or zero-tillage”“green manure or cover crop”“straw return or straw incorporation”等。获得相关文献后进行筛选，筛选流程见图1，最终获得可用文献78 篇，其中中文31 篇、英文47 篇，有效数据470条。采用Excel 2010建立我国农田SOC数据库，内容包括文献及其作者和发表年份、试验地点和经纬度、试验起止年份、土壤pH、土壤深度、初始SOC含量、年平均降水量、年平均气温、种植模式、试验措施、重复数、SOC含量均值和标准差等。若文献以图片形式展示试验结果，采用Get Data Graph Digitizer 2.26 软件提取SOC 含量数据；部分文献SOC 含量以土壤有机质（Soil organic matter，SOM）的形式展示，需乘以转换系数0.58换算为土壤SOC。

图1 文献筛选流程图Figure 1 Flow chart of the literature screening process

1.2 数据分析

本研究选用Meta Win2.1 软件进行Meta 分析，标准差（Standard deviations，SD）和标准误（Standard errors，SE）的转换见公式（1）：

式中：n表示样本量。

选取响应比（Response ratios，RR）作为统计学指标，并计算其95%置信区间（95%CI）。若95%CI不包含零值，表示与对照组相比，试验组对土壤SOC 含量影响显著，反之则表示没有显著影响[26]。对纳入数据进行异质性检验，当I2＜50%、P≥0.1，说明异质性较弱，采用固定效应模型（Fixed effect model，FEM），反之采用随机效应模型（Random effect model，REM）[27]，RR计算公式如下：

式中：Mt和Mc分别表示试验组和对照组的SOC 含量均值。为方便处理，取RR自然对数作为响应比：

为方便解释，将最终效应值RR++转换为（eRR++-1）×100%。

1.3 亚组分析

为进一步分析CSA 措施实施过程中SOC 含量变化的影响因素，本研究将摘录的数据按特定影响因素划分为不同组别（表1），划分的重要原则是尽量保证各分组数据分布均匀，避免影响计算结果的准确性，然后利用Meta 分析中的亚组分析方法检验特定因素下农田SOC 的变化情况，包括区域气候、土壤条件和管理方式等。通过亚组分析可以在一定程度上降低上述因素对整合结果造成的影响，提高结果的准确性。

表1 试验数据分类情况Table 1 Classification of experiment data

2 结果与分析

2.1 不同CSA措施对SOC的影响

Meta 分析的结果如图2所示，异质性检验达到显著水平（P＜0.001），且置信区间均不包含零值，表明与对照相比CSA 措施对农田SOC 含量具有显著提升作用，整体SOC 增长率为18.19%。4种CSA 措施对农田SOC 含量的提升效果差异较大：施用生物炭效果最佳，可以显著增加SOC 含量，增长率高达46.67%；其次是秸秆还田，SOC 增长率为17.08%；绿肥和免耕措施对SOC 的提升效果相对较弱，SOC 增长率分别为9.32%和7.34%。

图2 CSA措施对SOC含量的影响Figure 2 Influence of CSA measures on SOC content

2.2 Meta亚组分析

2.2.1 气候

气候是影响农业生产最重要的因素之一，因此本研究收集了试验地年平均气温和降水数据进行亚组分析，并将结果绘制成森林图（图3a、3b），由图可见95%置信区间均不包含零值，降水和气温亚组下CSA措施对SOC含量的影响显著。

图3 不同气候和土壤条件下CSA措施对SOC含量的影响Figure 3 Influence of CSA measures on SOC content under different climate and soil conditions

从气温情况来看，CSA措施对SOC的提升效果受年平均气温影响显著且与之呈正相关。当年平均气温≤13.3 ℃时，CSA 措施下的SOC 增长率为13.25%，而当年平均气温＞13.3 ℃时，SOC 增长率则会上升至21.86%。分别看4种措施，绿肥和秸秆还田的实施效果与上述总体规律一致，低气温下的SOC 变化率为7.80%和12.11%，气温变高后SOC 变化率会上升至9.88%和23.64%。免耕和生物炭措施下SOC 增长率则与气温呈负相关，低气温下两者SOC 变化率为8.82%和55.07%，分别比高气温亚组下高出2.78个百分点和9.09个百分点。

从降水情况来看，高降水量更有利于CSA措施发挥效果，SOC 变化率为22.63%，而低降水量下的SOC变化率仅为12.57%。4 种措施中秸秆还田引起的SOC 含量变化受降水影响最为显著，当年平均降水量＞800 mm时其SOC变化率为24.62%，比降水量≤800 mm 时高出1.42 倍；免耕和绿肥措施受降水影响相对较小，高降水量下SOC 变化率为8.17%和10.20%，仅比低降水量亚组高1.37、2.39 个百分点；而施用生物炭则与之相反，高降水量下其SOC 变化率为48.96%，比低降水量情况下低6.47个百分点。

2.2.2 土壤

土壤酸碱度是一项重要的土壤理化性质指标，土层深度对土壤养分分布至关重要，而土壤初始SOC含量也会影响农业措施的实施效果，因此本研究以土壤酸碱度、土壤深度和初始SOC含量为亚组探究它们对在CSA实施过程中的影响，结果如图3c～3e所示。

pH 亚组分析结果显示在碱性土壤中实施CSA 措施更利于农田SOC 的固存，酸性、碱性土壤条件下SOC 总体变化率分别为13.39%和18.80%。4 种措施中只有绿肥在碱性土壤条件下的SOC增长率（7.24%）低于酸性土壤（10.41%），生物炭、免耕和秸秆还田在碱性土壤条件下的SOC 增长率分别为50.65%、15.23%、13.04%，均高于酸性土壤条件下的39.28%、3.78%、8.51%。其中免耕措施下的SOC 变化率在酸、碱性土壤条件下的差异达到了极显著的水平，两者相差高达3.03倍，在实施免耕措施时一定要考虑土壤pH情况。

本研究将土壤深度以20 cm 为界分成两个亚组，主要原因是一般耕作层的厚度为15～20 cm，20 cm 深度以下为非耕作层。结果显示土壤深度对CSA 措施的实施效果影响显著，CSA措施对耕作层SOC的影响（变化率20.12%）要远远超过非耕作层（8.29%）。耕作层生物炭、免耕、绿肥和秸秆还田的SOC 变化率分别为48.94%、8.90%、9.53%、18.42%。值得注意的是，非耕作层免耕和绿肥措施的置信区间包含零值，说明其对SOC 含量无显著影响，不具有统计学意义；非耕作层生物炭SOC 变化率仅为16.53%，该数值是生物炭措施在所有影响因素亚组中的最低值，说明生物炭虽然是一种高效的固碳材料，但其对深层土壤SOC含量影响较小，具有一定的局限性；秸秆还田的实施效果受土壤深度影响不大，非耕作层SOC 变化率可达12.27%，仅比耕作层低6.15个百分点。

本研究收集了380 条记录初始SOC 含量的数据，并以这380条数据的均值11.5 g·kg-1为界划分高低两个亚组，结果显示初始SOC 含量较低的情况下，实施CSA 措施的效果更好，总体SOC 变化率为26.45%，是高初始SOC 含量亚组的近2 倍。秸秆还田和生物炭的SOC 变化率为26.63%和55.75%，分别是高初始SOC 含量亚组的3.30、1.57 倍。免耕在初始SOC 含量较低时可以有效促进SOC 含量增长至12.46%，但是在初始SOC 含量较高时，置信区间包含零值，对SOC含量无显著影响。绿肥措施下SOC 含量变化则与上述规律相反，在初始SOC 含量较高的时候，其SOC 变化率为10.27%，比低初始SOC 含量亚组高2.30 个百分点。

2.2.3 试验时长

随着试验时间增加，CSA措施对SOC含量的提升效果总体呈现出先上升再下降的趋势（图4a）。当试验持续时间≤1 a 时，总体SOC 变化率为20.59%，生物炭和秸秆还田的SOC 变化率分别为40.69%、19.45%，绿肥和免耕对SOC 含量无显著影响；当试验时长为＞1～5 a 时，总体SOC 变化率提升至23.57%，此时生物炭的SOC 变化率为60.66%，免耕和秸秆还田的SOC 变化率分别为9.24%和21.81%。绿肥的95%置信区间依然包含零值，说明种植绿肥在5 a 内对SOC含量都没有显著的积极影响；当试验时长≥5 a 时，SOC 增长率开始有明显的降低，仅为10.52%，生物炭措施下的SOC 变化率依然是4 种措施中最高的（35.73%），此时免耕、绿肥和秸秆还田措施下的SOC变化率差别不大，分别为9.75%、10.49%和8.89%。

图4 不同管理条件下CSA措施对SOC含量的影响Figure 4 Influence of CSA measures on SOC content under different management conditions

2.2.4 种植模式

农业种植模式可分为连作和轮作，连作是指在一块地上连续种植同一种作物，如我国南方地区的双季稻模式等；轮作则是指在同一块地上轮换种植不同作物，如我国北方常见的冬小麦-夏玉米模式等。根据Meta 分析的结果（图4b）不难发现：在轮作系统实施CSA 措施更有利于提升有机碳含量（变化率17.86%），生物炭、免耕和秸秆还田的SOC 变化率分别为47.03%、6.46%、12.16%，但绿肥在轮作亚组中数据量少且结果的置信区间包含零，不具有统计学意义；连作模式下总体SOC 变化率为12.21%，生物炭和秸秆还田措施的SOC 变化率分别比轮作模式下低14.31、4.27 个百分点。在连作系统中实施免耕和绿肥效果更好，SOC变化率分别是10.22%和10.55%。

2.2.5 试验地区

我国幅员辽阔，农业生产因地域差异而呈现不同特点，本研究将试验地以秦岭-淮河一线为界划分成南方和北方，探究不同地域CSA 实施效果的差异（图5）。总体来看，在南方地区实施CSA 措施对SOC 的提升效果（变化率22.59%）优于北方（14.36%）。分别看4 种措施，生物炭、免耕、绿肥和秸秆还田在南方地区实施的SOC 变化率分别为54.34%、8.22%、10.27%、24.05%，分别是北方的1.30、1.24、1.33 倍和2.16 倍。无论在南方还是北方，生物炭对农田SOC含量的有利影响都是最显著的，秸秆还田次之，绿肥和免耕相对较差，这与前文中各措施的总体实施效果一致。

图5 不同试验地区CSA措施对SOC含量的影响Figure 5 Influence of CSA measures on SOC content in different experimental regions

3 讨论

本研究通过Meta 分析发现与传统农业措施相比，CSA 措施是提升农田SOC 含量的重要途径，在全国尺度增长率可达18.19%。4种措施均能提升SOC含量，但效果却存在显著差异，且这种差异进一步导致4 种措施对气候、土壤、管理方式等影响因素响应不同。地域亚组分析发现，4 种措施在我国南北方实施效果差异很大，南方地区实施CSA 措施对农田SOC的提升更有利。本研究将依次解释上述结果，希望能为全面客观了解CSA 对我国农田SOC 的影响及机制、因地制宜推广CSA措施提供一定的参考。

3.1 不同CSA措施对农田SOC含量的影响

生物炭对农田SOC含量的提升效果最显著（变化率46.67%），这与孟艳等[28]、刘成等[29]对我国农田进行的Meta 分析结果一致，但也有学者通过全球Meta 分析得出施用生物炭带来的SOC 增幅仅为29.0%[30]；本研究中秸秆还田使SOC 含量提高17.08%，王旭东等[31]也在Meta 分析中报道了类似的结果（12.1%）；绿肥作物对SOC 的作用效果（变化率9.32%）可能会在很大程度上受到品种的影响，Jian 等[32]通过Meta 分析得出绿肥作物可使SOC 储量提升15.5%，而Crystal-Ornelas等[33]则认为绿肥作物对SOC含量无显著影响；免耕对我国农田SOC 含量的促进作用最弱（变化率7.34%），这与Bai 等[22]的Meta 分析结果类似。上述差异可能归因于4 种措施对农田土壤碳库影响功能机制的不同。

①生物炭。生物炭对SOC 的提升效果显著优于其他3 种措施，这主要归因于其特殊的理化性质：较高的含碳量[34]、较大的孔隙度和比表面积以及高度羧酸酯化和芳香化结构，使其具备了高度稳定性[35]。此外，生物炭可以促进农作物的生长，有效保护土壤团聚体形成，减少养分淋失，提高SOC 的利用效率[36-37]。尽管有研究表明生物炭可能会引起土壤有机质激发效应[38]，但总体来说其在农田固碳方面具有很大的潜力。②秸秆还田。秸秆还田的实施效果虽然远低于生物炭，但相较于其他两种措施还是具有一定的优越性。秸秆还田既可以增加碳输入又可以减少碳损失，首先秸秆本身作为一种外源SOC 输入农田后会导致土壤有机质增加，同时使得微生物活性增强，可以将秸秆中的SOC 转化到土壤中[39-40]，从而直接提高SOC含量。其次秸秆还田可以在一定程度上改变土壤的团聚体结构，促进大团聚体的形成，增强土壤团聚体的稳定性[41]，使得SOC 可以更稳定地在团聚体中积累[42]，减少碳的损失。③绿肥。绿肥对SOC 的影响主要是通过增加碳输入实现的，翻压以后绿肥本身的有机物质进入土壤，为土壤微生物提供了养分，促进了土壤养分循环[43]。此外一项位于美国爱荷华州的田间试验表明种植绿肥可以使土壤的保水能力提高10%～11%[44]，这也可能会促进SOC含量的增加。④免耕。免耕对SOC含量的提升效果最弱，可能是因为相较于其他3 种措施，其不能直接为农田土壤提供外源有机质输入，因此也就无法通过激发效应[45-46]对土壤碳库产生影响。免耕主要是通过减少损耗来实现SOC含量增长的，因为传统翻耕对土壤的频繁扰动会破坏土壤团聚体[47]，同时提高土壤透气性，使得土壤微生物活动频繁，加速SOC 的降解[48]。而免耕则可以避免上述干扰对SOC造成的损失，同时提高土壤的水分利用效率，增加土壤表层生物量，提高SOC含量[37]。

3.2 不同CSA措施对各影响因素的响应

3.2.1 气候

气候因素对农田SOC 的输入和分解具有重要影响，其中气温和降水是最为关键的两个因子[26]，它们会通过各种直接或间接的过程改变SOC的含量，从而对CSA措施的实施效果产生影响，这是一个十分复杂的过程。而前文所述4 种措施固碳机制的差异，导致它们对气温和降水的响应情况也不同，因此在实践中应考虑区域气温和降水情况，采用最合适的CSA 措施。

具体来说，寒冷干旱的情况下施用生物炭更有助于提升SOC含量，可能的原因是在低温条件下生物炭不易氧化分解，有机质得以累积形成SOC[49]；而由于生物炭的多孔隙结构能够有效促进土壤水分的保持[50]，在降水较少的情况下这种效果更为明显，对SOC 含量的提升作用也更显著。Chagas 等[51]的全球Meta分析也显示，在寒冷和干旱区施用生物炭对SOC含量的提升效应显著高于热带、温带地区。秸秆还田和绿肥在高温多雨的条件下更易促进SOC含量增加，因为气温升高，作物光温生产力也在增加，进入土壤的有机物更多，同时丰富的降水使得秸秆和绿肥残体易腐烂降解成有机质，SOC 含量随之增加[52]。免耕在低温多雨条件下的实施效果会更好，因为此时实施免耕有利于保持土壤水分，降低有机质的分解。这与前人的研究结果不同，Bai 等[22]的Meta 分析得出高温条件更利于免耕发挥效果，认为气温高的区域SOC分解速率快，在这种情况下，相对于传统翻耕，实施免耕能够显著降低SOC分解速率，SOC含量提升更明显。

3.2.2 土壤pH

pH 是农田土壤一项重要的理化性质，可以影响作物生长并调节微生物活性[53]，在一定程度上影响CSA 措施下SOC 含量的变化。生物炭在酸性土壤条件下对SOC的促进作用较差，可能的原因是酸性土壤中生物炭会对SOC 矿化产生更强烈的激发效应[54]，同时酸性土壤下的菌群环境会加速生物炭和固有SOC的降解，不利于有机碳含量的提升[55]。而中性或碱性土壤环境中较高的Ca2+离子含量，会促进土壤有机碳和无机矿物复合体的形成[56]。鉴于我国酸性土壤分布广泛，实际农业生产中施用生物炭对SOC含量的积极影响必须科学审慎看待。秸秆还田和免耕对土壤pH 的响应与生物炭一致，酸性土壤会限制作物生长，导致进入土壤的植物残体数量少，因而表层土壤SOC含量较低；同时酸性土壤条件可能会阻碍微生物的活动[57]，不利于土壤中的有机物质转化成SOC。因此在水热条件较好的热带、亚热带地区，农民会向农田施用石灰来中和因淋溶作用导致的土壤酸性[58]，以提高土壤养分，促进作物生长。然而也有一些学者指出，酸性土壤中的微生物矿化作用更弱，更有利于SOC的累积[59]。本研究得出在酸性土壤种植绿肥更利于促进SOC 含量提升，这可能与绿肥作物的品种有关，一些作物更适合在酸性土壤中生长，则此时酸性土壤更有利于SOC的固存。

3.2.3 土壤深度

本研究发现CSA 措施对农田表层0～20 cm 深度土壤的SOC 含量具有良好的提升效果，但对20 cm 深度以下土壤的影响却十分有限，这与大多数研究的结果基本一致[22，60]。分析原因如下：免耕倡导最小的土壤扰动，相较于传统翻耕，它会将作物残留物留在表层，且减缓其渗入深层土壤的速率[61]，所以表层土壤SOC 更易累积。生物炭、绿肥和秸秆还田3 种措施都能为农田土壤提供丰富的有机物质，而表层显然能够接受到更多的外源SOC，投入量大于分解量，因而SOC 含量大大提高[62]。另外大多数农作物的根系集中在表层，表层生物量丰富[63]，有机物质的利用效率更高，有利于形成SOC。综上所述，CSA 措施的实施效果受土壤深度影响大，具有一定的局限性，但也说明0～20 cm 土层具有较大的固碳潜力，可成为研究农田土壤碳源/碳汇的关键因素[64]。

3.2.4 初始SOC含量

实施CSA 措施对农田SOC 含量的影响在很大程度上受到试验地土壤初始SOC 含量的影响。根据土壤碳饱和假设，SOC含量的变化与其初始含碳量呈负相关，即SOC 含量越高，其损失越快；SOC 含量越低，其增加潜力越大，因距离饱和水平更远[65-67]。本研究结果中除了绿肥以外的3 种措施均与该结论相符。这说明在一些初始SOC含量较低、土壤条件较差的地区，通过改善农业措施来提高SOC含量是可行并且有效的，这些地区固碳的潜力往往较大。但也有学者通过Meta 分析得出了相反的结论，Gross 等[56]认为初始SOC 含量较高的情况下，施用生物炭会带来更高的SOC增长率。此外需要注意的是，免耕措施在高初始SOC含量亚组中置信区间包含零值，说明此时免耕相较于传统翻耕并不能显著提升SOC含量，因此尽管免耕被认为是一项改善土壤质量的有效措施，但在实施推广时须考虑当地土壤条件，不应一概而论。

3.2.5 试验时长

本研究结果显示4 种措施下SOC 含量增长率随试验时长的变化规律可分为两类：生物炭和秸秆还田对SOC含量的积极影响随试验时长的增加而减弱，绿肥和免耕则相反。

施用生物炭在短期内可能会对本土SOC 产生正向激发效应，导致部分SOC 的损耗，但随着时间的增加，激发效应会随之减弱，本土SOC 稳定性提高[68-69]。而随着施用时间的进一步推移，SOC含量的提升率有所下降，可能是生物炭对土壤的碱化作用以及对作物生长的刺激减弱，导致植物源有机物质输入减少[51]。短期秸秆还田对SOC存在一定的积极影响，而随着还田时间增加，土壤中秸秆腐解程度进一步提高[70]，SOC 含量达到了峰值，5 年后秸秆还田对SOC 含量的影响减弱，可能是因为秸秆中含碳量较高，长期施入土壤后会提高土壤碳氮比，减弱土壤中微生物对秸秆碳的分解作用[71]。这说明农业生产中需注意生物炭和秸秆还田的实施年限，在实施较长时间后适当暂停配合其他措施将更利于土壤健康。免耕和绿肥的实施效果可能存在一定的滞后效应[72-73]，本研究结果证实了该观点，只有长期实施才能对SOC含量产生较为可观的积极影响，在技术推广过程中应注意循序渐进，加强引导和宣传，提供必要的支持，让农户可以长期持续地实施免耕和种植绿肥。但本研究中更长尺度（＞10 年）的试验数据量少，CSA 措施对SOC 含量的长期效应仍有待未来更多研究的验证。

3.2.6 种植模式

种植模式可以通过影响作物根系或残体归还的数量和质量来影响SOC 的固定和分解过程[74]，而SOC含量与输入的碳源数量呈正相关[75]。合理轮作在全球尺度上平均可固碳（0.20±0.12）t·hm-2·a-1，是促进农田生态系统可持续性的重要措施之一[76]。但本研究结果表明，不同CSA 措施下，种植模式对SOC 含量的影响是不确定的：施用生物炭和秸秆还田在轮作系统中更利于促进SOC含量的提升，因为此时轮作系统下的土壤能够获得丰富的生物输入量；而免耕则在连作系统中对SOC含量的提升作用更为显著，因为连作系统可以提供干扰更小、更为稳定的环境，利于发挥免耕措施的效果，促进农田SOC 的累积[23]；相较于连作模式，种植绿肥在轮作模式下对SOC 的影响不显著，一方面轮作亚组绿肥数据量较少，另一方面绿肥本身品种差异会导致输入土壤碳源的数量和质量具有高度不确定性。有研究表明种植高碳氮比的绿肥作物更有利于增加根系和残体的数量[26]，而豆科绿肥由于根系不发达，地上生物量少，因而碳投入量也较少[77]。在未来的CSA 实践中，需将农田种植模式和CSA 措施结合，选择最佳组合方式，才能有效促进SOC含量的提升。

3.3 CSA措施下SOC含量变化的区域特征

本研究得出南方地区实施CSA 措施更有利于促进SOC 含量增长，可能是由于我国南北方在气候、土壤、土地利用方式、熟制、作物种类等方面都存在着较大的区别。此外，本研究摘录的试验数据分布情况也会在一定程度上影响最终结果。

①就气候而言，一般北方气温低、降水少，而南方气温高、降水多，如前文所述，总体来说高温多雨更利于CSA 措施下SOC 含量的提高，因此南方地区具有促进SOC 增长的有利气候条件。②就土地利用方式而言，北方地区以旱地为主，南方水田居多，旱地和水田的有机质分解特征存在显著差异，关于两者对SOC影响规律的讨论很多，但却未能达成一致。有学者认为旱地条件更有利于SOC 含量的提升[78-79]，但根据区域亚组分析的结果，本研究倾向于认为在水田条件实施CSA 更利于促进SOC 的积累。由于嫌气分解，水田淹水土壤中有机物质分解较慢[80]，可成为有效碳汇，而旱地属于好气分解，释放能量多，有机质降解快，不利于SOC 的积累[81]。③就作物类型和熟制而言，我国南方地区主要是一年两熟至三熟，北方地区一年一熟至两年三熟，南北方作物种类差异也很大，导致农田生物投入的数量、种类和周期都不同，这可能会成为影响CSA实施效果的因素，但影响机制有待进一步研究。④就土壤条件而言，南方土壤pH 值相对较低、初始SOC含量高，北方土壤pH值相对较高而初始SOC 含量低，虽然北方拥有促进SOC 增长的有利土壤条件，但其对农田SOC的影响程度可能仍不及气候或其他因素。⑤对研究数据进行分区域统计，结合2.2 中各影响因素亚组分析的总体结果，发现南方地区的试验数据占据了大多数促进SOC 增长的有利条件，包括高气温、多降水、较浅的土壤采样深度、多轮作，以及适中的试验时长。

综上所述CSA 措施下农田SOC 受到多种因素的影响，现实中上述影响因素往往是交互作用的，因此不同区域的SOC 变化特征是一个非常复杂的过程。且本研究摘录的各文献中田间试验管理方式不同，要进一步解释不同CSA 措施下SOC 含量区域差异的机理，仍有待未来对各影响因素的交互作用进行研究和验证。

3.4 不确定性分析

Meta 分析的结果高度依赖于纳入文献的质量，受环境因素和试验方法的影响较大，在对多项研究进行整合时，异质性是难以完全消除的。本研究利用78篇文献的470组试验数据，定量分析了CSA 措施对农田SOC 含量的影响。但这78 篇文献经过了层层筛选，样点分布可能存在不均匀的情况，且由于不同文献试验方法差异较大，标准不统一，本研究未对各措施的具体实施方法（如生物炭的种类和施用量、秸秆还田的方式和用量、绿肥作物的品类和翻压量等）进行细化。未来在Meta 分析前期收集数据时，应尽可能增大样本数据量，对数据进行科学合理的细化分类，提高结果的准确性。相关的田间定位试验研究也应提高标准化水平，减少外界干预对试验结果的影响，并详细和准确地描述试验条件和过程，以利于研究间的借鉴与整合。

CSA 内涵包括可持续地提高粮食产量、提高农业对气候的适应能力、减缓温室气体排放三大目标。本研究重点关注第三个目标，需要注意的是本研究中4种CSA 措施虽然能够促进农田SOC 含量的提升，但有研究表明，它们在生产或实施的过程中可能会产生二氧化碳[82-83]，因此探讨CSA 实践对固碳减排可能存在的不利影响是必要的。此外CSA 是一项具有系统性和综合性的农业解决方案，未来需要进一步关注CSA三大目标间的协同，充分挖掘CSA对促进农业可持续发展的潜力。

4 结论

在当前气候变化的背景下，CSA 作为一种可应对气候变化和粮食安全双重挑战的新型农业系统被寄予厚望。而考虑到我国地域辽阔，各农业区域气候、土壤、管理方式等各异的现实情况，因地制宜选择最合适的CSA 措施至关重要。因此不同于以往的田间定位试验研究或对单一农田管理措施进行的Meta分析，本研究选取了4 种在我国具有代表性的CSA 措施，全面评估它们对我国农田SOC含量的影响，并考虑外界环境因素对其作用效果的影响，得出以下结论：

（1）在全国范围内，CSA措施总体可使SOC含量提升18.19%。而由于自身固碳机制的差异，4种措施对SOC含量的提升效果差异显著，依次为生物炭（46.67%）、秸秆还田（17.08%）、绿肥（9.32%）、免耕（7.34%）。

（2）CSA措施下SOC含量的提升受到气候、土壤、管理条件等多种因素的影响，根据上述各因素不同亚组间SOC 含量增幅之差，总体可将土壤深度、试验时长和初始SOC含量归为关键影响因素，将降水、气温、种植模式和土壤pH 归为次关键影响因素。分别看4种措施，对生物炭和免耕影响最显著的因素是土壤深度，对秸秆还田影响最显著的因素是初始SOC 含量，对绿肥影响最显著的因素是试验时长。在CSA 措施实施过程中应格外重视关键的影响因素，充分发挥出每种措施对SOC的积极影响效果。

（3）4 种措施对上述影响因素的响应情况各异，每种措施促进SOC 含量提升的最有利外部条件都不同。如免耕的总体效果虽然是4 种措施中最差的，但根据土壤pH 亚组结果，碱性土壤中其对SOC 的促进作用仅次于生物炭；而生物炭虽然总体效果显著优于其他3 种措施，但对20 cm 深度以下SOC 的影响却非常有限，次于秸秆还田。因此在实际农业生产过程中，需根据当地气候、土壤条件选择最合适的CSA 措施，才能充分达成农田固碳的目标。

（4）从地域分异来看，在我国南方地区实施CSA措施带来的SOC 含量提升比北方地区更显著。因此我国南方地区更应抓住有利条件，进一步推进生物炭、免耕、绿肥和秸秆还田等CSA 实践；北方地区也应积极探寻更加适合区域气候土壤等特征的CSA 措施，以期为我国农田固碳以及温室气体减排作出更多贡献。