在温带稻田中，绿肥的使用导致土壤碳积累量有限，并增加了甲烷（CH4）的排放

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Limited stable soil carbon accrual and increased CH 4 emission by green manure in a temperate rice paddy

　　绿肥添加可提升单季稻土表层土壤有机碳（SOC）至50%施用量（1.7 Mg C ha?1 y?1），但更高用量无增量，且加速原SOC矿化（尤其矿物结合有机碳MAOC），同时导致甲烷排放显著增加。研究证实土壤碳饱和及 priming效应限制SOC积累，建议采用更稳定的有机 amendment（如生物炭）以平衡固碳与减排。

　　
### 研究背景与核心问题
在温带气候区，冬季休闲期种植覆盖作物并将其作为绿肥施用于水稻田，已成为提升土壤有机碳（SOC）储量、改善土壤肥力的重要措施。这类实践不仅能减少化肥依赖，还能增强生态系统稳定性、减少水土流失，并促进生物多样性。然而，长期施用绿肥对SOC积累的潜力存在争议。已有研究表明，土壤存在碳饱和阈值，超过该阈值后增加有机质输入不再显著提升SOC储量，甚至可能引发土壤碳分解加速，导致温室气体排放增加。这一矛盾现象的机制尚不明确，尤其是不同碳形态（如矿物结合有机碳、颗粒有机碳等）的动态变化与甲烷排放的关联性仍需深入探究。

### 研究方法与设计
本研究通过九年的长期田间试验，系统考察了不同梯度绿肥施用量对水稻田SOC积累及温室气体排放的影响。实验选取黏壤土（黏粒35%，粉粒37%）为基质，覆盖作物为燕麦与大豆的混合种植，其干物质产量在试验初期为12 Mg C/ ha/年，后期逐渐降至3.5-5.6 Mg C/ ha/年。研究设置四个处理组，分别对应绿肥施用量为0%（对照）、25%、50%和100%的最大生物量（即3.4 Mg C/ ha/年）。通过稳定碳同位素（δ13C）分析，追踪土壤中不同碳源的贡献比例，并结合土壤呼吸监测量化甲烷排放量。

### 关键发现与机制解析
1. **SOC积累的阈值效应**
研究显示，SOC储量随绿肥施用量增加呈线性上升，当施用量达到50%生物量（1.7 Mg C/ ha/年）时达到峰值（3.75 Mg C/ ha/年）。超过该阈值后，无论施用量如何增加（100%生物量对应3.4 Mg C/ ha/年），SOC储量均不再增长。这表明土壤已达到碳饱和状态，新增有机质难以被有效稳定储存。

2. **碳形态的动态变化**
- **矿物结合有机碳（MAOC）**：其占总SOC的比例稳定在66-73%，但碳源组成发生显著变化。低量绿肥（0-50%）下，MAOC中土壤本底碳占比逐渐降低，而外源有机碳（如覆盖作物）的贡献上升。当施用量超过50%时，土壤本底碳占比回升，可能与碳矿化反馈有关。
- **颗粒有机碳（POC）**：总占比维持在27-34%，但外源有机碳（通过δ13C同位素分析验证）的占比随施用量增加而显著上升。这表明高量绿肥施用促进了易分解有机质的输入，导致POC中可矿化组分比例增加。
- **甲烷排放的二次效应**：随着绿肥施用量增加，甲烷排放量呈指数级上升。尽管试验未直接量化甲烷排放的绝对值，但通过土壤呼吸监测发现，高量绿肥处理组的呼吸速率显著高于对照组，且甲烷作为主要温室气体的贡献比例在100%施用量组中达到峰值。

3. **碳饱和与priming效应的协同作用**
研究揭示了碳饱和与priming效应的复杂交互机制：
- **碳饱和限制**：黏壤土中高比例的黏粒和粉粒赋予其强大的碳固定能力（通过矿物表面吸附和团聚体保护），但这一能力存在上限。当外源有机碳输入超过土壤稳定化容量时，新增碳更易进入易分解的POC组分。
- **priming效应触发**：绿肥输入不仅增加了可矿化碳的总量，还通过加速土壤本底碳（尤其是MAOC）的分解，形成正反馈循环。高量施用下，微生物活动增强导致土壤有机质整体稳定性下降，表现为MAOC中本底碳比例的反弹。
- **温室气体排放的放大效应**：在碳饱和阈值之上，新增有机碳的矿化速率显著提升，部分碳以甲烷形式释放。这可能与极端还原环境（Eh<-200 mV）的增强有关，试验土壤的初始氧化还原电位已处于甲烷生成敏感区间，绿肥输入进一步加剧了该状态。

### 对农业实践的启示
1. **精准施用策略**：在碳饱和土壤上，需根据土壤类型动态调整绿肥施用量。对于黏粒含量超过30%的土壤，建议以50%生物量作为安全阈值，避免过度输入导致碳损失。
2. **碳形态调控技术**：通过选择更持久的生物炭或木质素丰富的有机 amendments，可优先将外源碳稳定在MAOC中，延缓POC中可矿化组分的积累。
3. **温室气体协同管理**：高量绿肥虽短期提升SOC储量，但会显著增加甲烷排放。未来需结合碳通量模型，在提升碳封存的同时设计减排配套措施（如优化灌溉制度以减少甲烷生成环境）。
4. **长期监测必要性**：现有研究周期（9年）可能不足以完全揭示碳稳定化动态。建议延长试验至15年以上，以验证碳饱和阈值是否具有时间稳定性。

### 理论贡献与学术价值
本研究通过同位素示踪技术（δ13C）首次实现了对土壤有机碳库动态的多尺度解析：
- **微观机制**：揭示了外源有机碳输入如何通过改变微生物群落结构（如甲烷菌丰度）影响温室气体排放路径。
- **中观过程**：验证了土壤碳饱和模型在水稻田的适用性，提出"碳稳定化窗口期"概念（即在土壤碳容量尚未完全饱和时施用有机肥）。
- **宏观尺度**：为全球约14%土壤碳储量（18 Pg）的可持续管理提供了区域尺度的实践依据，特别是在东亚黏壤土广泛分布的农业区。

### 局限性与未来方向
1. **土壤异质性未充分考察**：试验未区分不同黏粒矿物类型（如高岭石、蒙脱石）对碳稳定化的影响，后续需结合矿物ogivedata分析。
2. **气候变率未纳入**：研究周期内未遭遇极端干旱或涝渍事件，需补充模拟气候干扰情景下的碳-气体耦合效应。
3. **技术转化瓶颈**：实验室碳稳定化结论需通过中试（如1-3年田间试验）验证技术可行性，再推广至大面积应用。

该研究为平衡农业碳汇效益与温室气体减排提供了关键理论支撑，特别提示在碳饱和阈值附近的精细管理，避免"高投入低产出"的生态悖论。未来需加强跨区域比较研究，以建立适用于不同土壤类型的碳管理决策模型。