氣候智慧型農業措施對中國農田土壤有機碳含量影響的Meta分析

宮園，徐玉婷，潘友菊，郭樹潔

（安徽師范大學地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241002）

農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，而土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）作為農田土壤養分轉化的核心[1]，與作物產量和溫室氣體排放有著緊密的聯系，在全球氣候變化的背景下越來越受到人們的關注。SOC 主要受碳輸入和碳輸出水平的影響，在環境和管理條件不變的情況下，其含量一般是處于平衡狀態的。而隨著全球氣候變化影響日益加劇，這一平衡已經被打破，預計未來氣候變化還將進一步加速SOC 的分解，削弱土壤固碳能力[2]。農田土壤碳庫是陸地生態系統中最活躍、受人類活動等外界因素影響最明顯的組成部分，促進農田SOC固存是溫室氣體減排的重要途徑[3]。因此尋求切實可行的途徑優化農業行為，對于促進農田土壤固碳能力、提高農業對氣候變化的適應能力以及緩解全球氣候變化至關重要。2020年9月22日第75屆聯合國大會一般性辯論中，中國向全世界宣布將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭二氧化碳排放在2030年達到峰值，2060年實現碳中和[4]。該目標對溫室氣體主要排放源之一的農業部門無疑是一種巨大挑戰，我國農業亟待向綠色低碳轉型。

在此背景下，氣候智慧型農業（Climate-smart agriculture，CSA）作為一種將以往低碳農業、綠色農業、有機農業、循環農業等現代農業發展理念融合和升級的新型農業，在全球得到了推廣[5]。我國于2014 年起陸續開展CSA 試點項目。CSA 包含的農業措施非常廣泛：Arslan 等[6]指出只要有助于持續增加農業產量和收入、提高適應氣候變化的能力、減緩溫室氣體排放的農業實踐，都可被認為是現實的CSA；還有學者將CSA 措施歸納為水、土、氣象、碳、品種、營養、市場智慧等方面[7-8]。本研究主要關注與我國農田土壤碳庫管理有關的措施，包括免耕、少耕、秸稈還田、種植綠肥、施用生物炭、輪作間作等，實施這些措施可以增加土壤外源有機物質輸入，或通過減少對土壤的干擾降低碳損失，從而達到增加農田SOC 的目的[6，9]。此外，這些措施還可以改善土壤團聚化和微生物代謝過程、增加微生物和微生物源有機碳的數量、促進SOC向深層遷移等，進而改變農田SOC 含量[10]。國內外眾多學者就CSA 措施對SOC 的影響效果進行了研究，通過田間定位試驗或Meta 分析的方法驗證了生物炭[11-12]、秸稈還田[13-14]、綠肥作物[15-16]、免耕[17-18]等對農田SOC和土壤健康在不同程度上的促進作用。

盡管各類CSA 措施對SOC 含量的有利影響已在一些研究中被證實，但不同措施實施效果差異大，單項措施并不能客觀全面地代表CSA 的實施效果。除此之外氣候條件、土壤理化性質以及管理措施等[19-20]會在很大程度上影響SOC的含量，CSA措施的實施效果往往因外界環境條件而異[21-22]。Das 等[23]的Meta 研究表明由于不同的氣候、土壤、實施強度等，在非洲實施CSA 對于SOC 的促進效果優于亞洲和南美洲。甚至有一些研究表明CSA 措施對SOC 含量具有負面影響[24-25]。

目前我國CSA研究尚處在起步階段，CSA概念尚未被廣泛接受，關于其對我國農田SOC的影響也有待進一步探究。雖然已有一些學者基于田間定位試驗探究了CSA 概念包含的各項措施對我國農田SOC 的影響，但如前所述這些研究多聚焦于單項措施，且試驗的結果往往因試驗地特定的環境條件和試驗管理方法而異。在我國區域農業生產氣候、土壤、管理等條件差異大的現實情況下，單項措施定位試驗所得結果的參考性往往不強，難以從區域或全國尺度系統揭示CSA措施對我國農田SOC影響的綜合效應及機制，無法為因地制宜選擇最合適的CSA 措施提供參考。這就導致CSA措施的地區適用性未能得到很好解決，在一定程度上影響了CSA在我國的進一步推廣。

綜上所述，充分實現農田固碳目標往往需要同時實施多項CSA措施，而因地制宜選擇最合適的措施能夠使實施效果達到最優化。當前CSA 措施對我國農田SOC的影響仍缺乏全面系統的評估，因此本研究利用Meta 分析對全國范圍內78 篇已發表文獻的470 條大田試驗數據進行匯總定量分析，擬達到如下研究目的：①選擇施用生物炭、免耕、種植綠肥和秸稈還田這4 種在我國實施較為廣泛的CSA 措施，重點比較4 種措施對農田SOC影響效果的差異，為全面客觀認識我國CSA 的實施效果提供依據；②考慮到上述4 種措施均在特定的試驗場所實施，其對SOC的影響可能會受到外界環境的影響，因此將數據按氣候、土壤、種植模式、試驗時長等多個因素劃分組別，利用亞組分析揭示4 種CSA 措施對農田SOC 的影響效果隨這些因素的變化規律，并探究CSA措施在我國不同地域（南方、北方）實施效果差異；③根據上述結果探尋不同CSA措施對促進SOC含量提升的最有利外部條件，為在不同地區選擇最適宜的措施提供參考，這將有助于CSA在我國的進一步推廣，為農田SOC管理和減緩氣候變化提供科學依據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 數據收集

本研究數據來源于CNKI 和Web of Science 兩大文獻數據庫，設置檢索時間為2002—2022 年，CNKI檢索關鍵詞為“土壤有機碳”“中國”“生物炭或生物質炭”“免耕”“綠肥或覆蓋作物”“秸稈還田或秸稈覆蓋”等；Web of Science 檢索關鍵詞為“soil organic carbon”“China”“biochar”“no-tillage or zero-tillage”“green manure or cover crop”“straw return or straw incorporation”等。獲得相關文獻后進行篩選，篩選流程見圖1，最終獲得可用文獻78 篇，其中中文31 篇、英文47 篇，有效數據470條。采用Excel 2010建立我國農田SOC數據庫，內容包括文獻及其作者和發表年份、試驗地點和經緯度、試驗起止年份、土壤pH、土壤深度、初始SOC含量、年平均降水量、年平均氣溫、種植模式、試驗措施、重復數、SOC含量均值和標準差等。若文獻以圖片形式展示試驗結果，采用Get Data Graph Digitizer 2.26 軟件提取SOC 含量數據；部分文獻SOC 含量以土壤有機質（Soil organic matter，SOM）的形式展示，需乘以轉換系數0.58換算為土壤SOC。

圖1 文獻篩選流程圖Figure 1 Flow chart of the literature screening process

1.2 數據分析

本研究選用Meta Win2.1 軟件進行Meta 分析，標準差（Standard deviations，SD）和標準誤（Standard errors，SE）的轉換見公式（1）：

式中：n表示樣本量。

選取響應比（Response ratios，RR）作為統計學指標，并計算其95%置信區間（95%CI）。若95%CI不包含零值，表示與對照組相比，試驗組對土壤SOC 含量影響顯著，反之則表示沒有顯著影響[26]。對納入數據進行異質性檢驗，當I2＜50%、P≥0.1，說明異質性較弱，采用固定效應模型（Fixed effect model，FEM），反之采用隨機效應模型（Random effect model，REM）[27]，RR計算公式如下：

式中：Mt和Mc分別表示試驗組和對照組的SOC 含量均值。為方便處理，取RR自然對數作為響應比：

為方便解釋，將最終效應值RR++轉換為（eRR++-1）×100%。

1.3 亞組分析

為進一步分析CSA 措施實施過程中SOC 含量變化的影響因素，本研究將摘錄的數據按特定影響因素劃分為不同組別（表1），劃分的重要原則是盡量保證各分組數據分布均勻，避免影響計算結果的準確性，然后利用Meta 分析中的亞組分析方法檢驗特定因素下農田SOC 的變化情況，包括區域氣候、土壤條件和管理方式等。通過亞組分析可以在一定程度上降低上述因素對整合結果造成的影響，提高結果的準確性。

表1 試驗數據分類情況Table 1 Classification of experiment data

2 結果與分析

2.1 不同CSA措施對SOC的影響

Meta 分析的結果如圖2所示，異質性檢驗達到顯著水平（P＜0.001），且置信區間均不包含零值，表明與對照相比CSA 措施對農田SOC 含量具有顯著提升作用，整體SOC 增長率為18.19%。4種CSA 措施對農田SOC 含量的提升效果差異較大：施用生物炭效果最佳，可以顯著增加SOC 含量，增長率高達46.67%；其次是秸稈還田，SOC 增長率為17.08%；綠肥和免耕措施對SOC 的提升效果相對較弱，SOC 增長率分別為9.32%和7.34%。

圖2 CSA措施對SOC含量的影響Figure 2 Influence of CSA measures on SOC content

2.2 Meta亞組分析

2.2.1 氣候

氣候是影響農業生產最重要的因素之一，因此本研究收集了試驗地年平均氣溫和降水數據進行亞組分析，并將結果繪制成森林圖（圖3a、3b），由圖可見95%置信區間均不包含零值，降水和氣溫亞組下CSA措施對SOC含量的影響顯著。

圖3 不同氣候和土壤條件下CSA措施對SOC含量的影響Figure 3 Influence of CSA measures on SOC content under different climate and soil conditions

從氣溫情況來看，CSA措施對SOC的提升效果受年平均氣溫影響顯著且與之呈正相關。當年平均氣溫≤13.3 ℃時，CSA 措施下的SOC 增長率為13.25%，而當年平均氣溫＞13.3 ℃時，SOC 增長率則會上升至21.86%。分別看4種措施，綠肥和秸稈還田的實施效果與上述總體規律一致，低氣溫下的SOC 變化率為7.80%和12.11%，氣溫變高后SOC 變化率會上升至9.88%和23.64%。免耕和生物炭措施下SOC 增長率則與氣溫呈負相關，低氣溫下兩者SOC 變化率為8.82%和55.07%，分別比高氣溫亞組下高出2.78個百分點和9.09個百分點。

從降水情況來看，高降水量更有利于CSA措施發揮效果，SOC 變化率為22.63%，而低降水量下的SOC變化率僅為12.57%。4 種措施中秸稈還田引起的SOC 含量變化受降水影響最為顯著，當年平均降水量＞800 mm時其SOC變化率為24.62%，比降水量≤800 mm 時高出1.42 倍；免耕和綠肥措施受降水影響相對較小，高降水量下SOC 變化率為8.17%和10.20%，僅比低降水量亞組高1.37、2.39 個百分點；而施用生物炭則與之相反，高降水量下其SOC 變化率為48.96%，比低降水量情況下低6.47個百分點。

2.2.2 土壤

土壤酸堿度是一項重要的土壤理化性質指標，土層深度對土壤養分分布至關重要，而土壤初始SOC含量也會影響農業措施的實施效果，因此本研究以土壤酸堿度、土壤深度和初始SOC含量為亞組探究它們對在CSA實施過程中的影響，結果如圖3c～3e所示。

pH 亞組分析結果顯示在堿性土壤中實施CSA 措施更利于農田SOC 的固存，酸性、堿性土壤條件下SOC 總體變化率分別為13.39%和18.80%。4 種措施中只有綠肥在堿性土壤條件下的SOC增長率（7.24%）低于酸性土壤（10.41%），生物炭、免耕和秸稈還田在堿性土壤條件下的SOC 增長率分別為50.65%、15.23%、13.04%，均高于酸性土壤條件下的39.28%、3.78%、8.51%。其中免耕措施下的SOC 變化率在酸、堿性土壤條件下的差異達到了極顯著的水平，兩者相差高達3.03倍，在實施免耕措施時一定要考慮土壤pH情況。

本研究將土壤深度以20 cm 為界分成兩個亞組，主要原因是一般耕作層的厚度為15～20 cm，20 cm 深度以下為非耕作層。結果顯示土壤深度對CSA 措施的實施效果影響顯著，CSA措施對耕作層SOC的影響（變化率20.12%）要遠遠超過非耕作層（8.29%）。耕作層生物炭、免耕、綠肥和秸稈還田的SOC 變化率分別為48.94%、8.90%、9.53%、18.42%。值得注意的是，非耕作層免耕和綠肥措施的置信區間包含零值，說明其對SOC 含量無顯著影響，不具有統計學意義；非耕作層生物炭SOC 變化率僅為16.53%，該數值是生物炭措施在所有影響因素亞組中的最低值，說明生物炭雖然是一種高效的固碳材料，但其對深層土壤SOC含量影響較小，具有一定的局限性；秸稈還田的實施效果受土壤深度影響不大，非耕作層SOC 變化率可達12.27%，僅比耕作層低6.15個百分點。

本研究收集了380 條記錄初始SOC 含量的數據，并以這380條數據的均值11.5 g·kg-1為界劃分高低兩個亞組，結果顯示初始SOC 含量較低的情況下，實施CSA 措施的效果更好，總體SOC 變化率為26.45%，是高初始SOC 含量亞組的近2 倍。秸稈還田和生物炭的SOC 變化率為26.63%和55.75%，分別是高初始SOC 含量亞組的3.30、1.57 倍。免耕在初始SOC 含量較低時可以有效促進SOC 含量增長至12.46%，但是在初始SOC 含量較高時，置信區間包含零值，對SOC含量無顯著影響。綠肥措施下SOC 含量變化則與上述規律相反，在初始SOC 含量較高的時候，其SOC 變化率為10.27%，比低初始SOC 含量亞組高2.30 個百分點。

2.2.3 試驗時長

隨著試驗時間增加，CSA措施對SOC含量的提升效果總體呈現出先上升再下降的趨勢（圖4a）。當試驗持續時間≤1 a 時，總體SOC 變化率為20.59%，生物炭和秸稈還田的SOC 變化率分別為40.69%、19.45%，綠肥和免耕對SOC 含量無顯著影響；當試驗時長為＞1～5 a 時，總體SOC 變化率提升至23.57%，此時生物炭的SOC 變化率為60.66%，免耕和秸稈還田的SOC 變化率分別為9.24%和21.81%。綠肥的95%置信區間依然包含零值，說明種植綠肥在5 a 內對SOC含量都沒有顯著的積極影響；當試驗時長≥5 a 時，SOC 增長率開始有明顯的降低，僅為10.52%，生物炭措施下的SOC 變化率依然是4 種措施中最高的（35.73%），此時免耕、綠肥和秸稈還田措施下的SOC變化率差別不大，分別為9.75%、10.49%和8.89%。

圖4 不同管理條件下CSA措施對SOC含量的影響Figure 4 Influence of CSA measures on SOC content under different management conditions

2.2.4 種植模式

農業種植模式可分為連作和輪作，連作是指在一塊地上連續種植同一種作物，如我國南方地區的雙季稻模式等；輪作則是指在同一塊地上輪換種植不同作物，如我國北方常見的冬小麥-夏玉米模式等。根據Meta 分析的結果（圖4b）不難發現：在輪作系統實施CSA 措施更有利于提升有機碳含量（變化率17.86%），生物炭、免耕和秸稈還田的SOC 變化率分別為47.03%、6.46%、12.16%，但綠肥在輪作亞組中數據量少且結果的置信區間包含零，不具有統計學意義；連作模式下總體SOC 變化率為12.21%，生物炭和秸稈還田措施的SOC 變化率分別比輪作模式下低14.31、4.27 個百分點。在連作系統中實施免耕和綠肥效果更好，SOC變化率分別是10.22%和10.55%。

2.2.5 試驗地區

我國幅員遼闊，農業生產因地域差異而呈現不同特點，本研究將試驗地以秦嶺-淮河一線為界劃分成南方和北方，探究不同地域CSA 實施效果的差異（圖5）?？傮w來看，在南方地區實施CSA 措施對SOC 的提升效果（變化率22.59%）優于北方（14.36%）。分別看4 種措施，生物炭、免耕、綠肥和秸稈還田在南方地區實施的SOC 變化率分別為54.34%、8.22%、10.27%、24.05%，分別是北方的1.30、1.24、1.33 倍和2.16 倍。無論在南方還是北方，生物炭對農田SOC含量的有利影響都是最顯著的，秸稈還田次之，綠肥和免耕相對較差，這與前文中各措施的總體實施效果一致。

圖5 不同試驗地區CSA措施對SOC含量的影響Figure 5 Influence of CSA measures on SOC content in different experimental regions

3 討論

本研究通過Meta 分析發現與傳統農業措施相比，CSA 措施是提升農田SOC 含量的重要途徑，在全國尺度增長率可達18.19%。4種措施均能提升SOC含量，但效果卻存在顯著差異，且這種差異進一步導致4 種措施對氣候、土壤、管理方式等影響因素響應不同。地域亞組分析發現，4 種措施在我國南北方實施效果差異很大，南方地區實施CSA 措施對農田SOC的提升更有利。本研究將依次解釋上述結果，希望能為全面客觀了解CSA 對我國農田SOC 的影響及機制、因地制宜推廣CSA措施提供一定的參考。

3.1 不同CSA措施對農田SOC含量的影響

生物炭對農田SOC含量的提升效果最顯著（變化率46.67%），這與孟艷等[28]、劉成等[29]對我國農田進行的Meta 分析結果一致，但也有學者通過全球Meta 分析得出施用生物炭帶來的SOC 增幅僅為29.0%[30]；本研究中秸稈還田使SOC 含量提高17.08%，王旭東等[31]也在Meta 分析中報道了類似的結果（12.1%）；綠肥作物對SOC 的作用效果（變化率9.32%）可能會在很大程度上受到品種的影響，Jian 等[32]通過Meta 分析得出綠肥作物可使SOC 儲量提升15.5%，而Crystal-Ornelas等[33]則認為綠肥作物對SOC含量無顯著影響；免耕對我國農田SOC 含量的促進作用最弱（變化率7.34%），這與Bai 等[22]的Meta 分析結果類似。上述差異可能歸因于4 種措施對農田土壤碳庫影響功能機制的不同。

①生物炭。生物炭對SOC 的提升效果顯著優于其他3 種措施，這主要歸因于其特殊的理化性質：較高的含碳量[34]、較大的孔隙度和比表面積以及高度羧酸酯化和芳香化結構，使其具備了高度穩定性[35]。此外，生物炭可以促進農作物的生長，有效保護土壤團聚體形成，減少養分淋失，提高SOC 的利用效率[36-37]。盡管有研究表明生物炭可能會引起土壤有機質激發效應[38]，但總體來說其在農田固碳方面具有很大的潛力。②秸稈還田。秸稈還田的實施效果雖然遠低于生物炭，但相較于其他兩種措施還是具有一定的優越性。秸稈還田既可以增加碳輸入又可以減少碳損失，首先秸稈本身作為一種外源SOC 輸入農田后會導致土壤有機質增加，同時使得微生物活性增強，可以將秸稈中的SOC 轉化到土壤中[39-40]，從而直接提高SOC含量。其次秸稈還田可以在一定程度上改變土壤的團聚體結構，促進大團聚體的形成，增強土壤團聚體的穩定性[41]，使得SOC 可以更穩定地在團聚體中積累[42]，減少碳的損失。③綠肥。綠肥對SOC 的影響主要是通過增加碳輸入實現的，翻壓以后綠肥本身的有機物質進入土壤，為土壤微生物提供了養分，促進了土壤養分循環[43]。此外一項位于美國愛荷華州的田間試驗表明種植綠肥可以使土壤的保水能力提高10%～11%[44]，這也可能會促進SOC含量的增加。④免耕。免耕對SOC含量的提升效果最弱，可能是因為相較于其他3 種措施，其不能直接為農田土壤提供外源有機質輸入，因此也就無法通過激發效應[45-46]對土壤碳庫產生影響。免耕主要是通過減少損耗來實現SOC含量增長的，因為傳統翻耕對土壤的頻繁擾動會破壞土壤團聚體[47]，同時提高土壤透氣性，使得土壤微生物活動頻繁，加速SOC 的降解[48]。而免耕則可以避免上述干擾對SOC造成的損失，同時提高土壤的水分利用效率，增加土壤表層生物量，提高SOC含量[37]。

3.2 不同CSA措施對各影響因素的響應

3.2.1 氣候

氣候因素對農田SOC 的輸入和分解具有重要影響，其中氣溫和降水是最為關鍵的兩個因子[26]，它們會通過各種直接或間接的過程改變SOC的含量，從而對CSA措施的實施效果產生影響，這是一個十分復雜的過程。而前文所述4 種措施固碳機制的差異，導致它們對氣溫和降水的響應情況也不同，因此在實踐中應考慮區域氣溫和降水情況，采用最合適的CSA 措施。

具體來說，寒冷干旱的情況下施用生物炭更有助于提升SOC含量，可能的原因是在低溫條件下生物炭不易氧化分解，有機質得以累積形成SOC[49]；而由于生物炭的多孔隙結構能夠有效促進土壤水分的保持[50]，在降水較少的情況下這種效果更為明顯，對SOC 含量的提升作用也更顯著。Chagas 等[51]的全球Meta分析也顯示，在寒冷和干旱區施用生物炭對SOC含量的提升效應顯著高于熱帶、溫帶地區。秸稈還田和綠肥在高溫多雨的條件下更易促進SOC含量增加，因為氣溫升高，作物光溫生產力也在增加，進入土壤的有機物更多，同時豐富的降水使得秸稈和綠肥殘體易腐爛降解成有機質，SOC 含量隨之增加[52]。免耕在低溫多雨條件下的實施效果會更好，因為此時實施免耕有利于保持土壤水分，降低有機質的分解。這與前人的研究結果不同，Bai 等[22]的Meta 分析得出高溫條件更利于免耕發揮效果，認為氣溫高的區域SOC分解速率快，在這種情況下，相對于傳統翻耕，實施免耕能夠顯著降低SOC分解速率，SOC含量提升更明顯。

3.2.2 土壤pH

pH 是農田土壤一項重要的理化性質，可以影響作物生長并調節微生物活性[53]，在一定程度上影響CSA 措施下SOC 含量的變化。生物炭在酸性土壤條件下對SOC的促進作用較差，可能的原因是酸性土壤中生物炭會對SOC 礦化產生更強烈的激發效應[54]，同時酸性土壤下的菌群環境會加速生物炭和固有SOC的降解，不利于有機碳含量的提升[55]。而中性或堿性土壤環境中較高的Ca2+離子含量，會促進土壤有機碳和無機礦物復合體的形成[56]。鑒于我國酸性土壤分布廣泛，實際農業生產中施用生物炭對SOC含量的積極影響必須科學審慎看待。秸稈還田和免耕對土壤pH 的響應與生物炭一致，酸性土壤會限制作物生長，導致進入土壤的植物殘體數量少，因而表層土壤SOC含量較低；同時酸性土壤條件可能會阻礙微生物的活動[57]，不利于土壤中的有機物質轉化成SOC。因此在水熱條件較好的熱帶、亞熱帶地區，農民會向農田施用石灰來中和因淋溶作用導致的土壤酸性[58]，以提高土壤養分，促進作物生長。然而也有一些學者指出，酸性土壤中的微生物礦化作用更弱，更有利于SOC的累積[59]。本研究得出在酸性土壤種植綠肥更利于促進SOC 含量提升，這可能與綠肥作物的品種有關，一些作物更適合在酸性土壤中生長，則此時酸性土壤更有利于SOC的固存。

3.2.3 土壤深度

本研究發現CSA 措施對農田表層0～20 cm 深度土壤的SOC 含量具有良好的提升效果，但對20 cm 深度以下土壤的影響卻十分有限，這與大多數研究的結果基本一致[22，60]。分析原因如下：免耕倡導最小的土壤擾動，相較于傳統翻耕，它會將作物殘留物留在表層，且減緩其滲入深層土壤的速率[61]，所以表層土壤SOC 更易累積。生物炭、綠肥和秸稈還田3 種措施都能為農田土壤提供豐富的有機物質，而表層顯然能夠接受到更多的外源SOC，投入量大于分解量，因而SOC 含量大大提高[62]。另外大多數農作物的根系集中在表層，表層生物量豐富[63]，有機物質的利用效率更高，有利于形成SOC。綜上所述，CSA 措施的實施效果受土壤深度影響大，具有一定的局限性，但也說明0～20 cm 土層具有較大的固碳潛力，可成為研究農田土壤碳源/碳匯的關鍵因素[64]。

3.2.4 初始SOC含量

實施CSA 措施對農田SOC 含量的影響在很大程度上受到試驗地土壤初始SOC 含量的影響。根據土壤碳飽和假設，SOC含量的變化與其初始含碳量呈負相關，即SOC 含量越高，其損失越快；SOC 含量越低，其增加潛力越大，因距離飽和水平更遠[65-67]。本研究結果中除了綠肥以外的3 種措施均與該結論相符。這說明在一些初始SOC含量較低、土壤條件較差的地區，通過改善農業措施來提高SOC含量是可行并且有效的，這些地區固碳的潛力往往較大。但也有學者通過Meta 分析得出了相反的結論，Gross 等[56]認為初始SOC 含量較高的情況下，施用生物炭會帶來更高的SOC增長率。此外需要注意的是，免耕措施在高初始SOC含量亞組中置信區間包含零值，說明此時免耕相較于傳統翻耕并不能顯著提升SOC含量，因此盡管免耕被認為是一項改善土壤質量的有效措施，但在實施推廣時須考慮當地土壤條件，不應一概而論。

3.2.5 試驗時長

本研究結果顯示4 種措施下SOC 含量增長率隨試驗時長的變化規律可分為兩類：生物炭和秸稈還田對SOC含量的積極影響隨試驗時長的增加而減弱，綠肥和免耕則相反。

施用生物炭在短期內可能會對本土SOC 產生正向激發效應，導致部分SOC 的損耗，但隨著時間的增加，激發效應會隨之減弱，本土SOC 穩定性提高[68-69]。而隨著施用時間的進一步推移，SOC含量的提升率有所下降，可能是生物炭對土壤的堿化作用以及對作物生長的刺激減弱，導致植物源有機物質輸入減少[51]。短期秸稈還田對SOC存在一定的積極影響，而隨著還田時間增加，土壤中秸稈腐解程度進一步提高[70]，SOC 含量達到了峰值，5 年后秸稈還田對SOC 含量的影響減弱，可能是因為秸稈中含碳量較高，長期施入土壤后會提高土壤碳氮比，減弱土壤中微生物對秸稈碳的分解作用[71]。這說明農業生產中需注意生物炭和秸稈還田的實施年限，在實施較長時間后適當暫停配合其他措施將更利于土壤健康。免耕和綠肥的實施效果可能存在一定的滯后效應[72-73]，本研究結果證實了該觀點，只有長期實施才能對SOC含量產生較為可觀的積極影響，在技術推廣過程中應注意循序漸進，加強引導和宣傳，提供必要的支持，讓農戶可以長期持續地實施免耕和種植綠肥。但本研究中更長尺度（＞10 年）的試驗數據量少，CSA 措施對SOC 含量的長期效應仍有待未來更多研究的驗證。

3.2.6 種植模式

種植模式可以通過影響作物根系或殘體歸還的數量和質量來影響SOC 的固定和分解過程[74]，而SOC含量與輸入的碳源數量呈正相關[75]。合理輪作在全球尺度上平均可固碳（0.20±0.12）t·hm-2·a-1，是促進農田生態系統可持續性的重要措施之一[76]。但本研究結果表明，不同CSA 措施下，種植模式對SOC 含量的影響是不確定的：施用生物炭和秸稈還田在輪作系統中更利于促進SOC含量的提升，因為此時輪作系統下的土壤能夠獲得豐富的生物輸入量；而免耕則在連作系統中對SOC含量的提升作用更為顯著，因為連作系統可以提供干擾更小、更為穩定的環境，利于發揮免耕措施的效果，促進農田SOC 的累積[23]；相較于連作模式，種植綠肥在輪作模式下對SOC 的影響不顯著，一方面輪作亞組綠肥數據量較少，另一方面綠肥本身品種差異會導致輸入土壤碳源的數量和質量具有高度不確定性。有研究表明種植高碳氮比的綠肥作物更有利于增加根系和殘體的數量[26]，而豆科綠肥由于根系不發達，地上生物量少，因而碳投入量也較少[77]。在未來的CSA 實踐中，需將農田種植模式和CSA 措施結合，選擇最佳組合方式，才能有效促進SOC含量的提升。

3.3 CSA措施下SOC含量變化的區域特征

本研究得出南方地區實施CSA 措施更有利于促進SOC 含量增長，可能是由于我國南北方在氣候、土壤、土地利用方式、熟制、作物種類等方面都存在著較大的區別。此外，本研究摘錄的試驗數據分布情況也會在一定程度上影響最終結果。

①就氣候而言，一般北方氣溫低、降水少，而南方氣溫高、降水多，如前文所述，總體來說高溫多雨更利于CSA 措施下SOC 含量的提高，因此南方地區具有促進SOC 增長的有利氣候條件。②就土地利用方式而言，北方地區以旱地為主，南方水田居多，旱地和水田的有機質分解特征存在顯著差異，關于兩者對SOC影響規律的討論很多，但卻未能達成一致。有學者認為旱地條件更有利于SOC 含量的提升[78-79]，但根據區域亞組分析的結果，本研究傾向于認為在水田條件實施CSA 更利于促進SOC 的積累。由于嫌氣分解，水田淹水土壤中有機物質分解較慢[80]，可成為有效碳匯，而旱地屬于好氣分解，釋放能量多，有機質降解快，不利于SOC 的積累[81]。③就作物類型和熟制而言，我國南方地區主要是一年兩熟至三熟，北方地區一年一熟至兩年三熟，南北方作物種類差異也很大，導致農田生物投入的數量、種類和周期都不同，這可能會成為影響CSA實施效果的因素，但影響機制有待進一步研究。④就土壤條件而言，南方土壤pH 值相對較低、初始SOC含量高，北方土壤pH值相對較高而初始SOC 含量低，雖然北方擁有促進SOC 增長的有利土壤條件，但其對農田SOC的影響程度可能仍不及氣候或其他因素。⑤對研究數據進行分區域統計，結合2.2 中各影響因素亞組分析的總體結果，發現南方地區的試驗數據占據了大多數促進SOC 增長的有利條件，包括高氣溫、多降水、較淺的土壤采樣深度、多輪作，以及適中的試驗時長。

綜上所述CSA 措施下農田SOC 受到多種因素的影響，現實中上述影響因素往往是交互作用的，因此不同區域的SOC 變化特征是一個非常復雜的過程。且本研究摘錄的各文獻中田間試驗管理方式不同，要進一步解釋不同CSA 措施下SOC 含量區域差異的機理，仍有待未來對各影響因素的交互作用進行研究和驗證。

3.4 不確定性分析

Meta 分析的結果高度依賴于納入文獻的質量，受環境因素和試驗方法的影響較大，在對多項研究進行整合時，異質性是難以完全消除的。本研究利用78篇文獻的470組試驗數據，定量分析了CSA 措施對農田SOC 含量的影響。但這78 篇文獻經過了層層篩選，樣點分布可能存在不均勻的情況，且由于不同文獻試驗方法差異較大，標準不統一，本研究未對各措施的具體實施方法（如生物炭的種類和施用量、秸稈還田的方式和用量、綠肥作物的品類和翻壓量等）進行細化。未來在Meta 分析前期收集數據時，應盡可能增大樣本數據量，對數據進行科學合理的細化分類，提高結果的準確性。相關的田間定位試驗研究也應提高標準化水平，減少外界干預對試驗結果的影響，并詳細和準確地描述試驗條件和過程，以利于研究間的借鑒與整合。

CSA 內涵包括可持續地提高糧食產量、提高農業對氣候的適應能力、減緩溫室氣體排放三大目標。本研究重點關注第三個目標，需要注意的是本研究中4種CSA 措施雖然能夠促進農田SOC 含量的提升，但有研究表明，它們在生產或實施的過程中可能會產生二氧化碳[82-83]，因此探討CSA 實踐對固碳減排可能存在的不利影響是必要的。此外CSA 是一項具有系統性和綜合性的農業解決方案，未來需要進一步關注CSA三大目標間的協同，充分挖掘CSA對促進農業可持續發展的潛力。

4 結論

在當前氣候變化的背景下，CSA 作為一種可應對氣候變化和糧食安全雙重挑戰的新型農業系統被寄予厚望。而考慮到我國地域遼闊，各農業區域氣候、土壤、管理方式等各異的現實情況，因地制宜選擇最合適的CSA 措施至關重要。因此不同于以往的田間定位試驗研究或對單一農田管理措施進行的Meta分析，本研究選取了4 種在我國具有代表性的CSA 措施，全面評估它們對我國農田SOC含量的影響，并考慮外界環境因素對其作用效果的影響，得出以下結論：

（1）在全國范圍內，CSA措施總體可使SOC含量提升18.19%。而由于自身固碳機制的差異，4種措施對SOC含量的提升效果差異顯著，依次為生物炭（46.67%）、秸稈還田（17.08%）、綠肥（9.32%）、免耕（7.34%）。

（2）CSA措施下SOC含量的提升受到氣候、土壤、管理條件等多種因素的影響，根據上述各因素不同亞組間SOC 含量增幅之差，總體可將土壤深度、試驗時長和初始SOC含量歸為關鍵影響因素，將降水、氣溫、種植模式和土壤pH 歸為次關鍵影響因素。分別看4種措施，對生物炭和免耕影響最顯著的因素是土壤深度，對秸稈還田影響最顯著的因素是初始SOC 含量，對綠肥影響最顯著的因素是試驗時長。在CSA 措施實施過程中應格外重視關鍵的影響因素，充分發揮出每種措施對SOC的積極影響效果。

（3）4 種措施對上述影響因素的響應情況各異，每種措施促進SOC 含量提升的最有利外部條件都不同。如免耕的總體效果雖然是4 種措施中最差的，但根據土壤pH 亞組結果，堿性土壤中其對SOC 的促進作用僅次于生物炭；而生物炭雖然總體效果顯著優于其他3 種措施，但對20 cm 深度以下SOC 的影響卻非常有限，次于秸稈還田。因此在實際農業生產過程中，需根據當地氣候、土壤條件選擇最合適的CSA 措施，才能充分達成農田固碳的目標。

（4）從地域分異來看，在我國南方地區實施CSA措施帶來的SOC 含量提升比北方地區更顯著。因此我國南方地區更應抓住有利條件，進一步推進生物炭、免耕、綠肥和秸稈還田等CSA 實踐；北方地區也應積極探尋更加適合區域氣候土壤等特征的CSA 措施，以期為我國農田固碳以及溫室氣體減排作出更多貢獻。