綠肥提高農田土壤有機碳固存機制的研究進展

摘要： 土壤碳固存在緩解全球氣候變化、維持農田生態系統生產力中起著十分重要的作用。農田土壤碳固存的決定因子包括氣候因子（溫度、降雨）、生物因素（微生物活性、酶活性） 和非生物因素（土壤理化性質、團聚體組成及含量等），農田生態系統通過增加碳輸入、減少碳輸出和增加碳在土壤中持留時間三種途徑強化土壤碳的固存。綠肥具有固定土壤碳、氮和調節土壤微生物群落結構等多重功能，將綠肥納入作物生產中可通過減少有機碳礦化、增加土壤有機碳來源、調控土壤團聚化過程、促進微生物量及殘體累積、改善微生物群落組成及代謝活性等多種方式協同提升土壤碳的固存，其作用可歸納為團聚體物理保護的物理固定機制、礦物化學結合的化學固定機制和微生物固定機制。目前采用的強化綠肥提升農田土壤碳固存的關鍵技術包括：1） 選用適宜的綠肥品種；2） 構建與區域土壤和氣候資源相匹配的“主作物+綠肥”種植模式；3） 配套綠肥與其他肥源協同增效的養分管理技術；4） 優化耕作措施等。但還需進一步深入開展以下幾方面的研究，包括：1） 明確不同類型綠肥介導下的農田土壤碳固存機制的差異；2） 強化高效固碳綠肥種質資源的選育； 3） 建立強化綠肥固存土壤碳的長效研究體系；4） 構建基于綠肥的土壤有機碳管理框架。

關鍵詞： 綠肥； 有機碳固存； 碳固存機制； 影響因素； 強化固碳措施

21 世紀以來隨著全球CO2 濃度的上升和氣候變暖問題的加劇，碳的固定及動態變化逐漸成為研究熱點[1?3]。其中，土壤碳庫是陸地表層生態系統中最大的碳庫，在全球碳循環中扮演重要角色。土壤固碳量增加可減緩溫室效應，降低大氣CO2 濃度[4?5]，深入認識土壤碳固存的過程及穩定機制是應對土壤退化及全球大氣CO2 濃度上升的關鍵。

農田是陸地生態系統的重要組成部分，其貯存的有機碳含量占陸地土壤碳儲量的8%～10%，但農田土壤有機碳極易受人為擾動影響[6?7]。在人類進行農事活動時會加速農田土壤有機碳的礦化和土壤碳損失，對氣候變化產生直接影響[3， 8?9]。研究表明，通過采用恰當的農業管理措施可使農田土壤表現出一定的碳匯功能，全球農田土壤固碳潛力可達（0.9±0.3） Pg[8?9]。且隨著全社會對溫室氣體減排和糧食安全的重視，提高農田土壤碳固存成為維持農田可持續發展的關鍵。因此，關于農田土壤碳固存的關鍵機制及強化技術亟待深入研究。

近年來，綠肥的開發利用研究成為應對合理利用化肥的新策略[10?11]。在農田生態系統中，種植利用綠肥在增辟肥源的同時，可促進對作物養分的供給[12?13]，同時也蘊藏著巨大的生態、經濟效益，是生態環境友好的有機肥源[14?15]。種植利用綠肥通過增加地表覆蓋度以及綜合的養分管理等措施降低土壤結構的破壞和土壤侵蝕的發生[10?17]，還可替代部分化肥[ 1 8 ? 2 0 ]，降低土壤碳的礦化[ 2 1 ? 2 4 ]，提高土壤固碳速率[25?27]，減少地表徑流和土壤自身的損失，保持土壤水分的同時還可改善土壤健康狀況[10， 15， 17， 21]。種植利用綠肥可以通過物理、化學和生物等不同過程調控土壤碳固存。在當前氣候變化和糧食安全問題的嚴峻考驗下，有必要在厘清有機綠肥對土壤有機碳含量影響的基礎上，進一步探討綠肥介導土壤碳固存過程的機制，這對明確農田生態系統增匯過程意義重大。本文對農田土壤碳固存的作用機制及強化途徑進行了綜述，分析了種植利用綠肥對農田土壤碳固存的影響及強化途徑，剖析了綠肥影響農田土壤碳固存的機制，以期為利用綠肥提高農田土壤固碳潛力提供理論支撐。

1 農田土壤碳固存的決定因子和強化途徑

1.1 農田土壤碳固存的決定因子

土壤碳固存是指大氣CO2 通過直接或間接途徑以穩定形式的碳固定于土壤[2， 8， 28]，所有影響農田生態系統輸入和輸出的因素均會影響農田土壤碳固存[2， 7]。一般來講，土壤通過將更多源于凈初級生產力的碳固存于土壤庫或者通過降低土壤有機碳的分解礦化速率來實現土壤碳的固存[7?8]。而農田所處氣候區的溫度、水分等水熱條件，土壤環境的生物、非生物等多種因素均影響凈初級生產力和土壤碳礦化[29?30]，且各因素間通常相互作用，綜合調控土壤碳固存。

土壤碳固存的決定因子中，氣候因素是土壤有機碳固存的重要驅動因子[3]。其中溫度和降水是影響土壤有機碳固存的主要氣候因素[8， 29?30]，在特定的農田環境條件下，溫度、降水等氣候因素通過共同選擇不同的作物類型、形成初級生產力，從而影響土壤有機碳的數量、質量以及有機碳的分解和周轉[29?30]。土壤生物是農田生態系統中連接土壤碳輸入與輸出的重要驅動力，參與碳循環的多個碳代謝過程，如CO2轉化成穩定有機碳的固定過程等[31?32]。而土壤質地、理化性質等非生物因素，均能夠影響土壤碳固存過程中的生化反應、微生物群落代謝活性及底物利用效率等[2， 33?34] （圖1）。

1.2 農田土壤碳固存的強化途徑

土壤碳固存取決于外源碳（施肥、植物光合作用等） 輸入與土壤碳分解輸出之間的平衡[35?36]。在農田生態系統中，土壤能夠在諸如地上部干物質、凋落物、根系中積累碳。而目前在翻耕、施用化肥和農機使用等不合理的農業管理措施下，導致土壤有機碳較高的侵蝕率和礦化率，造成土壤有機碳的大量損失[37?38]。

在農田生態系統中，農田土壤碳固存的強化途徑主要有3 種（圖2）：一是增加碳輸入，農田生態系統是受人類活動影響最劇烈、頻繁的陸地生態系統，其農田土壤碳庫也是陸地土壤碳庫中最敏感的碳庫。其中增加有機物料的投入是農田土壤碳固存主要的強化途徑。有研究表明，土壤有機碳庫固存量與進入土壤的植物凋落物和地上部生物量呈緊密的線性正相關[39]。具體增加農田土壤碳輸入的途徑有：施用有機肥、秸稈還田、種植利用綠肥等，強化土壤碳固存。二是減少碳輸出，其中減少溫室氣體排放是強化農田土壤碳固存的主要途徑之一[40]。在農田生態系統中，不合理的農藝管理措施破壞土壤團粒結構，造成土壤地表板結、滲透率降低、地表徑流加大，從而加速土壤侵蝕，導致溫室氣體從土壤釋放到大氣中[8， 40]。因此，實現農田土壤碳固存可通過強化農田管理措施和作物生長條件提高土壤有機碳（SOC） 含量，進而改善土壤質量，減少土壤碳輸出，最終可實現農田土壤固碳增匯減排的目的。三是增加碳在土壤中的停留時間[36]。土壤有機碳在土壤中的停留時間為碳元素通過植物光合作用，經過植物吸收、分配、生長以及掉落進入土壤中，再由微生物的分解作用脫離土壤生態系統的整個時間過程。而在農田生態系統中停留時間越長，則土壤碳固存能力越強。農田生態系統中可通過優化農藝管理措施增加光合碳的輸入，影響土壤碳的固存量及周轉時間[36， 41]。

1.3 農田土壤碳固存的基本機制

農田土壤碳固存取決于農田生態系統土壤本身和環境因子間的相互作用。了解有機碳在農田土壤中的固存機制將有助于制定相應的管理措施來增加土壤有機碳的截獲量。目前關于土壤有機碳的固存機制研究尚不十分清楚，對其認識也存在差異。當前比較公認的土壤固碳機制有團聚體物理保護的物理固定機制，有機質及輸入碳的類型與礦物化學結合的生物化學固定機制，微生物碳泵作用的微生物固定機制（圖2）[2， 6， 34， 36， 42?43]。

其中，團聚體物理保護的物理固定機制指土壤團聚體可降低有機碳與土壤微生物及酶的接觸程度，使團聚體內部的有機質難以被分解，從而對有機碳起到很好的“屏障”作用；其次，團聚體內部與外部的通氣狀況、水分條件等的差異也均會對土壤微生物活性、豐度及群落結構產生影響，進而影響土壤有機碳循環路徑，阻礙團聚體內部有機碳的分解，有利于農田土壤碳固存[34， 44?46]。而化學穩定機制是土壤礦物和有機物質之間通過化學、物理鍵合相互作用形成的穩定機制。土壤中的無機礦物顆粒如粘土礦物和鐵鋁氧化物均易與有機碳形成“有機?礦物”復合體，以及有機質自身的化學組成、輸入碳的類型可為有機碳提供化學保護[11， 14， 34]，土壤固碳能力與無機礦物顆粒之間呈正比。生物穩定機制中土壤微生物作為地球生物多樣性的關鍵組成部分，是外源有機碳向穩定有機碳轉化的重要通道[34?35]，通常有源于植物自身特性的有機碳穩定性，即植物殘體通過聚合或絡合作用形成難于被生物降解的有機物質固存于土壤；還有源于土壤動物、微生物的有機碳穩定性，即土壤動物和微生物在分解植物殘體的過程中形成難降解的代謝產物作用于土壤碳固存[47]，且其自身、死亡后的殘體以及代謝過程中分泌的有機物質、產生的酶，均在驅動土壤養分周轉、促進養分循環和改變土壤團聚化過程、改善土壤結構、提高有機碳儲量等方面扮演著不可或缺的角色[48?49]。

2 綠肥驅動下的農田土壤碳固存機制

2.1 物理固定機制

1） 改善土壤團聚化過程，促進土壤有機碳物理固定作用。種植利用綠肥對于土壤碳固存的影響中，團聚體發揮了物理保護作用[21， 50?51]。大量研究表明，種植利用綠肥可通過增加有機質和膠結物質含量來改善土壤物理結構[10， 16， 21]，使得土壤中水穩性和機械穩定性團聚體含量提高[50， 52]。綠肥生長階段對土表形成保護可緩解團聚體在水蝕作用下的分散程度，降低團聚體的破損率，提高土壤團聚體的穩定性[52]。進而增加受土壤團聚體保護的有機碳來恢復退化的土壤[11， 14， 20]，且種植利用綠肥所引入的植物源有機質可作為膠結物質參與到土壤團聚體的形成過程中，促進大團聚體的形成[21， 50?51， 53?54]。同時，土壤團聚體可通過復雜的物理/化學空間隔離作用（水分、氧氣和微生物） 增加對新輸入有機碳的保護[55?56]。

2） 增加根際微生物量，促進形成大團聚體。由于綠肥作物根系生物量大，種植利用綠肥可提高根際微生物量，且綠肥進入土壤后其分解產物可與土壤礦物膠結凝聚形成微團聚體，并通過根際細菌分泌物和真菌菌絲的粘結作用形成大團聚體，進而提高土壤有機碳的物理保護作用，并可促進土壤團聚體的形成和穩定[54， 57]。且綠肥翻壓還田后為土壤提供大量氮素，可保證微生物生長代謝所需C/N 化學計量比，進而促進真菌和細菌生長，且產生的豐富有機物質可提高土壤團聚體的穩定性，促進土壤團聚體的形成和穩定，顯著改善土壤理化性質，保護土壤有機碳不受微生物分解的影響，進而提高土壤碳固存[46]。

因此，將綠肥納入傳統的農業生產中，綠肥作用于土壤礦質顆粒，與其發生強烈的相互作用，顯著影響土壤團聚體的形成。且不同綠肥品種的化學性質存在差異，例如植株C/N 和木質素含量等可直接影響分解速率，其產物可作為團聚體形成過程中的膠結物質，促進大團聚體的形成，改善土壤團聚化過程，也可構建團聚體?有機碳的良性周轉，進而促進土壤有機碳的物理固定作用。

2.2 微生物固定機制

1） 微生物碳泵調節有機碳的微生物固定作用。大量研究表明，種植利用綠肥可通過增加活性有機碳含量，提供營養元素、改善土壤結構等方面來改善土壤微生物的生存環境[11]，且種植利用綠肥可引起微生物群落結構及相關酶的改變，有利于土壤碳周轉進而增加土壤有機碳的儲量和固碳水平[49， 58]。新鮮豆科綠肥還田易引起“起爆效應”造成土壤有機碳分解，不利于土壤碳庫穩定[59?61]，但也有研究表明由于綠肥自身C/N 較低有利于保持土壤微生物的健康活動，抑制激發效應，對土壤碳固存具有積極作用[25， 62]。

2） 增加微生物源有機碳。綠肥可為微生物代謝提供豐富的碳源，可改善微生物群落組成和增加微生物量的生成，進而可實現增加微生物殘體促進土壤碳固存這一過程的持續運轉[22?23， 57]。同時，真菌由于具有較高的C/N，因而對碳的需求更高，對新輸入的碳源響應也較強烈[24]。因此，在綠肥還田、覆蓋等條件下，更有利于增加真菌網絡的復雜性[63]，且綠肥根系分泌物也有助于真菌菌絲的建立和穩定性的增加[57]。

3） 調節微生物代謝過程。種植利用綠肥還可通過影響微生物的利用資源來調控微生物代謝活性[22， 57]。其中土壤酶參與土壤有機碳的周轉，綠肥還田促進土壤酶活性，其活性與微生物的活性、群落結構均有關[22]。相關研究表明，種植利用綠肥后土壤微生物群落豐度、革蘭氏陰性及陽性細菌均與碳轉化相關酶活性呈正相關關系[58]。另有研究表明，在底物豐富的條件下，細菌較真菌的競爭能力強，而隨著底物耗竭，真菌豐度也隨之提高[64?65]。且有機物料還田后，在腐解初期富營養性微生物將對新鮮的有機物料進行腐解利用（r 策略），而后期貧營養性微生物將降解結構復雜難降解的組分（k 策略）[66]。

還有研究表明，利用綠肥可以改變土壤微生物群落結構，提高微生物的碳源利用效率，減弱呼吸作用，降低土壤碳的礦化分解，促進土壤有機碳固存[54， 67]。其次，綠肥在腐解過程中通過改善土壤胞外酶活性而調控有機碳的礦化分解速率，如提高纖維素和多糖等易分解有機碳的分解速率，降低相對穩定性[68?69]。此外，由于綠肥自身C/N 較低，生物量大、易腐解，且低C/N 的有機物和木質素有利于保持土壤微生物的健康活動，對土壤碳固存具有積極作用[15， 25， 51]。因此，微生物作用于綠肥對農田土壤碳固存具有重要意義。

2.3 生物化學固定機制

1） 礦物保護有利于土壤有機碳的長期儲存。有機碳與礦物的吸附是重要的土壤碳固存機制[70?71]。土壤有機碳能夠通過與鐵鋁礦物的結合（形成有機—礦物復合體） 保護有機碳不被礦化，最終形成穩定有機碳固存于土壤[72]。長期施用有機肥或有機無機肥配施對土壤中氧化鐵的影響不同于僅施無機肥[73]。將綠肥納入傳統生產會改變土壤的物理化學性質，從而使土壤中的鐵氧化物形態組成、有效性、在土壤剖面中的分布均隨著土壤環境的改變而改變[74]。有研究表明，綠肥種植還田能帶來新鮮的外源有機質，這些有機質可與鐵氧化物結合，形成有機?無機復合體，保護土壤有機碳不被分解，該過程還可提高鐵氧化物自身的化學穩定性[75]，同時非晶質氧化鐵強烈吸附有機質而阻礙氧化鐵晶核的生長[76?77]，提高土壤中非晶質氧化鐵、絡合態氧化鐵含量及其活化度[78?79]。進而增加土壤有機碳的有效累積。還有研究表明，綠肥作用于農田土壤的無機礦物[80?82]，土壤無機礦物與粘土礦物相結合對土壤碳固存的化學固定作用具有較大的影響，其中高價鐵鋁氧化物與粘土礦物相結合會顯著降低土壤有機碳的生物有效性，進而增強土壤碳固存[36]。但目前關于綠肥與土壤無機礦物及農田土壤碳固存的研究較少。因此，在今后的研究中針對綠肥作用的有機質與無機礦物結合的化學穩定機制需進一步深入。

2） 源于植物自身特性的有機碳穩定性。從土壤有機碳的輸入考慮，地上部和地下部生物量的增加均可作為植物殘體形成及土壤有機碳形成的潛在來源。由于豆科綠肥自身的固氮能力，促進作物生長發育，同時可提高農田生態系統植物凈初級生產力、凈生態系統生產力和作物產量[51， 58， 68]，為土壤有機碳的固存創造物質基礎。在農田生態系統中，將綠肥納入傳統生產中，可為土壤輸入養分元素[12， 58]。同時由于綠肥根系發達及通過綠肥還田等農藝措施均有助于將根系分泌物和綠肥源碳輸入到底層土壤，最終提高農田土壤有機碳儲量[83]。而底層土壤中微團聚體含量較高且氧氣濃度較低，因此底層土壤中的有機碳更易與土壤礦物顆粒相結合，形成穩定的化學保護機制。

總體來看，將綠肥納入農田生態系統中，土壤固碳機制主要表現在：綠肥可通過自身固氮特性增加土壤有機碳來源，促進土壤有機碳的形成和積累；綠肥作用于土壤養分，通過影響作物生物量進而影響有機殘體碳的輸入；綠肥地下部生物量大，在改善土壤物理結構的同時可調控土壤團聚化過程，地下部碳受土壤團聚體和粘粉顆粒的物理化學保護，進而促進微生物量及其殘體的累積，且通過改善微生物群落組成及代謝活性等多種保護穩定機制，可共同作用于土壤碳固存（圖3）。但值得注意的是種植利用綠肥的碳固存機制與綠肥種類、利用方式、農田土壤環境、自然環境、試驗時間等多種管理措施和整體性農業管理方案有關。而目前關于種植利用綠肥的農田固碳研究，無論是微觀還是宏觀研究均處于起步階段，其影響因素和作用機制仍需深入探究。

3 綠肥對農田土壤碳固存的強化技術

3.1 選用適宜的綠肥品種

綠肥分為豆科和非豆科兩大類，種植利用綠肥時應就環境條件、與休閑期茬口的銜接時間等，選用適宜生育期的綠肥品種，保障應用綠肥對農田生態系統的固碳作用。且經過長期實踐和研究比較供試的不同綠肥品種，證實豆科綠肥植株總養分含量高于十字花科和禾本科綠肥，具有明顯的固氮吸碳效果，將綠肥翻壓還田后豆科綠肥提高土壤有機碳的效果最好，有利于碳固存[84?86]。而另有研究表明C/N比較高的新鮮豆科綠肥還田易引起“起爆效應”，造成土壤原有機質分解，不利于土壤碳固存[59?60]。當然，不同綠肥品種因其自身養分、根系形態、質量和腐解程度各異，對改善土壤理化性狀、水分、養分狀況和固碳效果表現不同[19， 53， 67]。因此，在農田生態系統中納入綠肥時，需結合具體氣候和土壤環境等各方面條件因地制宜的選用不同綠肥品種。

3.2 構建與區域土壤和氣候資源相匹配的“主作物+綠肥”種植模式

我國經過長期生產實踐，得到綠肥的多樣化種植模式[87]。在農田生態系統中，采用適宜的種植模式以協調主作物與綠肥之間的相互關系，對農田土壤碳固存具有重要意義[88?89]。構建“主作物+綠肥”種植模式，采用“間、套、混、復、插”等方式，以解決綠肥與主作物間的爭地矛盾[17]。

1） 糧肥輪作。以一年一熟為基準，多集中于糧食作物、烤煙作物的生產上。利用休閑期，種植并翻壓綠肥后繼續種植糧食、烤煙作物。主要分布在土地平坦、地力條件較好的溫帶、亞熱帶季風區等。綠肥與主作物輪作不僅可以通過增加土地利用率、土地覆蓋度抑制土壤風蝕水蝕，而且還可通過自身固氮作用進行“貯碳育氮”[17]，提高主作物的產量和品質。糧肥輪作種植模式下，綠肥可替代20%?40% 的化學氮肥，同時有利于提高氮素利用效率，增加作物生物量、產量[10， 19， 68]。且綠肥腐解過程中氮素的釋放能更好地匹配作物生長對氮素的需求，因而促進作物的氮素吸收、提高產量和肥料利用率，培育土壤碳、氮庫[90?91]。同時，綠肥本身具有相對較高的含氮量和較低木質素含量，活性碳組分含量較高，因而能被微生物快速分解并利用，釋放出更多的有機碳、氮，可增加土壤有機碳的固持[92]。

2） 復種綠肥。在輪作倒茬困難的地區，同塊田地一個年度或一個年周期內，為了充分利用光熱資源，在主栽作物播前或收后種植一茬綠肥，在有限的土地資源及充足的光熱水條件下生長，可為后茬作物生長增加有機肥源，且可提高農田復種指數[15， 51]。有研究表明，在傳統夏休閑—冬小麥體系中復種一季短期的夏季綠肥發現，長期種植豆科綠肥可以改善土壤質量[15]，影響作物根系生長，改變根冠比，促進光合碳在農田生態系統中的積累[93?94]，增加大團聚體含量、土壤團聚體穩定性及土壤有機碳含量[95?96]，且復種翻壓綠肥在其腐解礦化過程中可為土壤微生物提供碳源和氮源，有利于土壤微生物數量、優勢菌門相對豐度及土壤酶活性的增加，從而促進綠肥養分的釋放，增加土壤有機碳的固存[97?98]。

3） 間套作綠肥。主要針對兩熟不足、一熟有余的氣候條件下，在同一季，同塊農田按照不同比例、分行或分帶將綠肥作物與主栽作物相間種植。綠肥與主栽作物進行間套作可充分利用土地、光、熱、水等自然資源，在提高資源利用率的同時也在農田用養結合方面發揮著重要作用[99]。間套作綠肥其根系之間的交叉互補有利于提高土壤養分、土壤微生物的豐度和多樣性[100?102]，同時可豐富土壤中殘茬數量、質量和化學組成，從而可改變微生物活度，改善土壤的團聚體結構[103?104]，也可降低土壤容重、增加土壤孔隙度，抑制土壤呼吸[67]。因此，將作物群體結構、農田水肥管理、耕作方式、利用方式等農藝管理措施集成于間套作種植模式中進行優化，為增加農田土壤碳固存提供有力的技術支撐。

4） 混作綠肥。常言道“種子摻一摻，產量翻一番”，通常有綠肥與主作物混播，豆科綠肥和非豆科綠肥混播。混播可使不同作物相互調節養分、通風透光性，進而改善土壤環境，提高土壤微生物活性、作物生產力[105?107]。生產實踐中，豆科與非豆科綠肥混播存在互惠互利作用，非豆科綠肥可為豆科作物提供物理性支持[108]，增加大團聚體的形成、大團聚體有機碳含量和顆粒有機碳[109]，且可促進混播中各作物生長使其具有更大生物量以及氮吸收量[110]，增加氮源，提高主栽作物的養分利用率[108]，在增加外源有機物料輸入的同時可提高土壤有機碳含量、改善土壤物理結構、減少土壤有機碳礦化損失，增加農田土壤碳固存[109， 111]。

在構建與區域土壤和氣候資源相匹配的“主作物+綠肥”種植模式中。綠肥與主作物輪作、復種模式中，應考慮水分、養分資源的分配和播期的選擇，以平衡兩季作物和兩茬作物之間的水肥關系，達到高效資源利用效率。在間套作模式中，需優化作物的品種、帶寬及帶間距的配置及播種密度等，以協調綠肥與主栽作物間的關系；另一方面，需根據區域條件選擇適宜的種植模式，以達到綠肥作用于農田生態系統的固碳效應。

3.3 配套綠肥與其他肥源協同增效的養分管理技術

我國耕地資源有限，且耕地質量不容樂觀。急需原位、綠色、高效的養分管理技術。綠肥是一種養分完全的生物肥源，可在增辟肥源的同時改善土壤，增加表層土壤有機質含量，并降低土壤礦質氮淋溶的風險，但也有研究表明新鮮綠肥進入土壤具有“起爆效應”。因此，配套綠肥與其他肥源協同增效的養分管理技術是影響農田土壤碳固存的一項關鍵技術。

增加氮肥施用量是通過增加作物地上部生物量和作物殘留還田量的一項技術，其可提高表層土壤有機碳含量[112]。大量研究表明，與化肥相比，在農田土壤中施用有機肥更有利于碳的固定[113?115]。且我國農田長期施肥試驗的結果表明，有機無機肥配施顯著增加旱作農田土壤有機碳含量，其固碳速率約以每年0.1～0.4 g/kg 的速度增加[ 1 1 3 ]。還有研究表明，綠肥與無機肥配合施用，兩種肥料相互作用后土壤碳組分含量均有增加趨勢，可改善土壤理化性質提高地力[43]。將綠肥納入傳統的作物生產體系中可替代部分化學氮肥，相較于單施化肥處理種植利用綠肥處理可將地表徑流和土壤自身的氮損失量分別降低16%～40% 和13%～50%，可有效維持農田土壤有機碳含量，促進土壤碳固存[20]。且種植利用綠肥還可改善土壤肥力，促進作物生長，增加土壤有機碳含量，提高固碳效率[42， 51， 111， 116?117]。目前關于綠肥與其他肥源協同增效的養分管理技術已有的研究表明，綠肥可替代部分化肥，綠肥與化肥耦合可改善土壤理化性質、增加土壤有機碳含量。但不同綠肥品種與其他肥源結合對農田土壤碳固存的影響，在不同的種植模式、利用方式下是否存在差異，以及不同的農藝管理措施條件下如何調控綠肥對農田養分的供給以滿足農田土壤碳固存，還未得到科學解答。

3.4 優化耕作措施

在農田管理措施中，農田耕作方式是一種最直接的土壤擾動方式，其中耕作的頻率、深度、方式等因素均會破壞土壤結構，使得原本被保護的土壤有機碳暴露在外從而加速土壤有機碳的氧化分解，直接影響農田土壤碳固存。且不同的耕作制度可通過影響氮的有效性而影響農田土壤有機碳的固持[2]。另外，保護性耕作方式（免耕、壟作、少耕等） 能夠減少碳和氮的分解進而提高土壤有機碳含量[118]。前人大量的實踐研究，對種植利用綠肥形成了綠肥+免耕、壟耕種植、深耕等耕作措施，及綠肥翻壓還田、地表覆蓋、根茬還田、綠肥+秸稈還田等還田方式[87]。有研究表明，免耕輪作綠肥較常規耕作可改善土壤理化性狀和微生物活性，促進玉米對營養元素的吸收，增加主栽作物產量，同時提高農田土壤有機碳含量[119]。還有研究表明，綠肥還田可有效增加粉壟稻田土壤有機碳儲量和活性有機碳的穩定性[120]。綠肥還田方式也可影響土壤有機碳含量的變化，其中免耕覆蓋可提高0—5 cm 土層土壤有機碳含量，對5—20 cm 土層有機碳含量無顯著影響[121]。綠肥還田深度對土壤表層有機碳的增加效果不顯著，對深層土壤有機碳含量的增加具有顯著效果[122]。因此，在農田生態系統中可通過選擇合理耕作方式，優化土壤結構；落實優化綠肥還田和培肥土壤肥力兩種耕作措施技術，增加土壤碳固存。

4 總結與研究展望

正確認識并理解農田土壤碳固存的決定因子，強化農田土壤碳固存的途徑與技術措施間的關系，是解決土壤肥力下降以及應對全球氣候變暖的關鍵。長期實踐證明，種植利用綠肥在增加農田土壤肥力水平、提高土壤養分、增加土地資源利用效率等方面具有促進作用，同時綠肥可增加農田土壤有機碳的穩定性和保護有機碳。但由于土壤碳具有復雜性、易變性和理論體系的多元化，且綠肥的應用也是多種農藝管理措施協同作用的綜合體。在這種背景下，種植利用綠肥如何調控農田土壤碳固存，無論從宏觀還是微觀角度來講，其均處于起步階段，結果不穩定性強，未來研究應在以下幾方面進行深入：

1） 明確綠肥介導下農田土壤碳固存的微生物?團聚體?礦物間的協同作用機制。探索土壤有機碳固存機制有助于控制和加強農田土壤固碳潛力，改善土壤和環境質量。目前關于利用綠肥對農田土壤碳固存機制的研究仍不充分，尤其是微生物?團聚體?礦物間的協同作用。而隨著高通量測序、生物信息學技術的迅猛發展及有機碳分組和分離技術的提升，探索利用綠肥對土壤有機碳的真實賦存形態的影響是明確土壤固碳機制的根本。此外，微生物是土壤有機碳固存過程的關鍵驅動者。在同位素技術和組學方法的基礎上，如何準確理解認識綠肥介導下的微生物群落結構的變化與土壤有機碳周轉過程的關聯是破解土壤固碳機制的關鍵。但需要注意微生物雖主導土壤有機碳的形成與損失，但有機碳的固定也與團聚體與礦物對其的物理積蓄和化學吸附關聯。因此，在農田生態系統應用綠肥的過程中，應準確解讀活體微生物的代謝過程，微生物死亡殘體累積的動態，不同空間格局下各粒級團聚體對微生物來源碳和植物來源碳的保護機制及微生物群落的響應規律，綜合構建起綠肥介導下土壤有機碳固存的微生物?團聚體?礦物協同作用機制框架。

2） 做好綠肥高效栽培管理。在農田生態系統種植利用綠肥無疑會利用水分、熱量、土地等自然資源。如何根據不同的資源特征和作物生物學特性，利用適宜的種植模式，合理的空間、時間布局，耕作措施，水肥管理措施、化學調理劑及微生物促生菌劑等將綠肥納入傳統作物生產體系中，對實現資源高效利用和農田土壤碳固存的目的顯得尤為關鍵。因此，需要根據不同區域條件構建“綠肥+”的綜合技術體系增加農田土壤碳固存。

3） 強化高效固碳綠肥種質資源的選育。長期以來，綠肥品種主要延續過去的“經典”，新品種更新較慢、品種類型有限。應對當今農業功能多樣化的需求，需要篩選、選育、創制一批抗逆性強、養分截獲高效及與主栽作物高效搭配的種質資源。

4） 關注利用綠肥對深層土壤碳固存的影響。深層土壤是潛在的巨大“碳匯”。由于綠肥養分全面、碳氮比低、易腐解，對表層土壤短期內有顯著影響，且大多數試驗取樣在0—30 cm 土層，而對農田生態系統而言，綠肥發達的根系在土壤中穿插生長、分泌物豐富，且肥效較緩，對深層土壤的理化性質、微生物活性等也均有一定的影響，進而影響系統內土壤碳平衡狀況。因此，探索綠肥對深層土壤有機碳庫的影響將為全面理解綠肥介導農田土壤碳固存提供參考。

5） 建立利用綠肥的長效研究體系。土壤碳固存是一個復雜且緩慢的過程，其短期內土壤有機碳含量的變化并不能直觀的反映土壤是否進行碳固存，因而我們需要根據不同的農業區劃建立不同綠肥種植利用模式下的長期定位試驗，動態持續監測與土壤碳固存緊密相關的各種因素（土壤有機碳含量、收支狀況、團聚體周轉、微生物活性、酶活性、土壤水分、養分的循環周轉）。通過系統研究，根據生態區域的資源稟賦、生產水平、種植結構等因素，綜合評價各農業區劃下不同種植模式、種植技術下利用綠肥調控土壤碳固存的潛力與實質，從而制定出因地制宜成熟度高的技術體系進行推廣應用。

6） 構建基于應用綠肥的有機碳管理框架。關注我國典型土壤、典型耕作方式下應用綠肥對土壤碳固存影響的研究。在農田生態系統中，土壤固碳是應對氣候變化和土壤退化的必經之路。明確各種外界條件、各種綠肥應用方式下土壤固碳的閾值水平，理解綠肥對農田生產力及土壤固碳過程、功能的影響。將綠肥與農田的管理、碳的管理相結合，建立有機碳的管理框架，為土地管理和農戶制定科學合理的可持續土地利用戰略。