宮園，徐玉婷，潘友菊，郭樹潔

（安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）作為農(nóng)田土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的核心[1]，與作物產(chǎn)量和溫室氣體排放有著緊密的聯(lián)系，在全球氣候變化的背景下越來(lái)越受到人們的關(guān)注。SOC 主要受碳輸入和碳輸出水平的影響，在環(huán)境和管理?xiàng)l件不變的情況下，其含量一般是處于平衡狀態(tài)的。而隨著全球氣候變化影響日益加劇，這一平衡已經(jīng)被打破，預(yù)計(jì)未來(lái)氣候變化還將進(jìn)一步加速SOC 的分解，削弱土壤固碳能力[2]。農(nóng)田土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍、受人類活動(dòng)等外界因素影響最明顯的組成部分，促進(jìn)農(nóng)田SOC固存是溫室氣體減排的重要途徑[3]。因此尋求切實(shí)可行的途徑優(yōu)化農(nóng)業(yè)行為，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)田土壤固碳能力、提高農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力以及緩解全球氣候變化至關(guān)重要。2020年9月22日第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論中，中國(guó)向全世界宣布將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)二氧化碳排放在2030年達(dá)到峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[4]。該目標(biāo)對(duì)溫室氣體主要排放源之一的農(nóng)業(yè)部門無(wú)疑是一種巨大挑戰(zhàn)，我國(guó)農(nóng)業(yè)亟待向綠色低碳轉(zhuǎn)型。

在此背景下，氣候智慧型農(nóng)業(yè)（Climate-smart agriculture，CSA）作為一種將以往低碳農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展理念融合和升級(jí)的新型農(nóng)業(yè)，在全球得到了推廣[5]。我國(guó)于2014 年起陸續(xù)開展CSA 試點(diǎn)項(xiàng)目。CSA 包含的農(nóng)業(yè)措施非常廣泛：Arslan 等[6]指出只要有助于持續(xù)增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和收入、提高適應(yīng)氣候變化的能力、減緩溫室氣體排放的農(nóng)業(yè)實(shí)踐，都可被認(rèn)為是現(xiàn)實(shí)的CSA；還有學(xué)者將CSA 措施歸納為水、土、氣象、碳、品種、營(yíng)養(yǎng)、市場(chǎng)智慧等方面[7-8]。本研究主要關(guān)注與我國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)管理有關(guān)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(shí)施這些措施可以增加土壤外源有機(jī)物質(zhì)輸入，或通過(guò)減少對(duì)土壤的干擾降低碳損失，從而達(dá)到增加農(nóng)田SOC 的目的[6，9]。此外，這些措施還可以改善土壤團(tuán)聚化和微生物代謝過(guò)程、增加微生物和微生物源有機(jī)碳的數(shù)量、促進(jìn)SOC向深層遷移等，進(jìn)而改變農(nóng)田SOC 含量[10]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就CSA 措施對(duì)SOC 的影響效果進(jìn)行了研究，通過(guò)田間定位試驗(yàn)或Meta 分析的方法驗(yàn)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(duì)農(nóng)田SOC和土壤健康在不同程度上的促進(jìn)作用。

盡管各類CSA 措施對(duì)SOC 含量的有利影響已在一些研究中被證實(shí)，但不同措施實(shí)施效果差異大，單項(xiàng)措施并不能客觀全面地代表CSA 的實(shí)施效果。除此之外氣候條件、土壤理化性質(zhì)以及管理措施等[19-20]會(huì)在很大程度上影響SOC的含量，CSA措施的實(shí)施效果往往因外界環(huán)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(shí)施強(qiáng)度等，在非洲實(shí)施CSA 對(duì)于SOC 的促進(jìn)效果優(yōu)于亞洲和南美洲。甚至有一些研究表明CSA 措施對(duì)SOC 含量具有負(fù)面影響[24-25]。

目前我國(guó)CSA研究尚處在起步階段，CSA概念尚未被廣泛接受，關(guān)于其對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC的影響也有待進(jìn)一步探究。雖然已有一些學(xué)者基于田間定位試驗(yàn)探究了CSA 概念包含的各項(xiàng)措施對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC 的影響，但如前所述這些研究多聚焦于單項(xiàng)措施，且試驗(yàn)的結(jié)果往往因試驗(yàn)地特定的環(huán)境條件和試驗(yàn)管理方法而異。在我國(guó)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氣候、土壤、管理等條件差異大的現(xiàn)實(shí)情況下，單項(xiàng)措施定位試驗(yàn)所得結(jié)果的參考性往往不強(qiáng)，難以從區(qū)域或全國(guó)尺度系統(tǒng)揭示CSA措施對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC影響的綜合效應(yīng)及機(jī)制，無(wú)法為因地制宜選擇最合適的CSA 措施提供參考。這就導(dǎo)致CSA措施的地區(qū)適用性未能得到很好解決，在一定程度上影響了CSA在我國(guó)的進(jìn)一步推廣。

綜上所述，充分實(shí)現(xiàn)農(nóng)田固碳目標(biāo)往往需要同時(shí)實(shí)施多項(xiàng)CSA措施，而因地制宜選擇最合適的措施能夠使實(shí)施效果達(dá)到最優(yōu)化。當(dāng)前CSA 措施對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC的影響仍缺乏全面系統(tǒng)的評(píng)估，因此本研究利用Meta 分析對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)78 篇已發(fā)表文獻(xiàn)的470 條大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總定量分析，擬達(dá)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(guó)實(shí)施較為廣泛的CSA 措施，重點(diǎn)比較4 種措施對(duì)農(nóng)田SOC影響效果的差異，為全面客觀認(rèn)識(shí)我國(guó)CSA 的實(shí)施效果提供依據(jù)；②考慮到上述4 種措施均在特定的試驗(yàn)場(chǎng)所實(shí)施，其對(duì)SOC的影響可能會(huì)受到外界環(huán)境的影響，因此將數(shù)據(jù)按氣候、土壤、種植模式、試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)等多個(gè)因素劃分組別，利用亞組分析揭示4 種CSA 措施對(duì)農(nóng)田SOC 的影響效果隨這些因素的變化規(guī)律，并探究CSA措施在我國(guó)不同地域（南方、北方）實(shí)施效果差異；③根據(jù)上述結(jié)果探尋不同CSA措施對(duì)促進(jìn)SOC含量提升的最有利外部條件，為在不同地區(qū)選擇最適宜的措施提供參考，這將有助于CSA在我國(guó)的進(jìn)一步推廣，為農(nóng)田SOC管理和減緩氣候變化提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于CNKI 和Web of Science 兩大文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置檢索時(shí)間為2002—2022 年，CNKI檢索關(guān)鍵詞為“土壤有機(jī)碳”“中國(guó)”“生物炭或生物質(zhì)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(guān)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(guān)文獻(xiàn)后進(jìn)行篩選，篩選流程見圖1，最終獲得可用文獻(xiàn)78 篇，其中中文31 篇、英文47 篇，有效數(shù)據(jù)470條。采用Excel 2010建立我國(guó)農(nóng)田SOC數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容包括文獻(xiàn)及其作者和發(fā)表年份、試驗(yàn)地點(diǎn)和經(jīng)緯度、試驗(yàn)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(yàn)措施、重復(fù)數(shù)、SOC含量均值和標(biāo)準(zhǔn)差等。若文獻(xiàn)以圖片形式展示試驗(yàn)結(jié)果，采用Get Data Graph Digitizer 2.26 軟件提取SOC 含量數(shù)據(jù)；部分文獻(xiàn)SOC 含量以土壤有機(jī)質(zhì)（Soil organic matter，SOM）的形式展示，需乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.58換算為土壤SOC。

圖1 文獻(xiàn)篩選流程圖Figure 1 Flow chart of the literature screening process

1.2 數(shù)據(jù)分析

本研究選用Meta Win2.1 軟件進(jìn)行Meta 分析，標(biāo)準(zhǔn)差（Standard deviations，SD）和標(biāo)準(zhǔn)誤（Standard errors，SE）的轉(zhuǎn)換見公式（1）：

式中：n表示樣本量。

選取響應(yīng)比（Response ratios，RR）作為統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)，并計(jì)算其95%置信區(qū)間（95%CI）。若95%CI不包含零值，表示與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組對(duì)土壤SOC 含量影響顯著，反之則表示沒有顯著影響[26]。對(duì)納入數(shù)據(jù)進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，當(dāng)I2＜50%、P≥0.1，說(shuō)明異質(zhì)性較弱，采用固定效應(yīng)模型（Fixed effect model，F(xiàn)EM），反之采用隨機(jī)效應(yīng)模型（Random effect model，REM）[27]，RR計(jì)算公式如下：

式中：Mt和Mc分別表示試驗(yàn)組和對(duì)照組的SOC 含量均值。為方便處理，取RR自然對(duì)數(shù)作為響應(yīng)比：

為方便解釋，將最終效應(yīng)值RR++轉(zhuǎn)換為（eRR++-1）×100%。

1.3 亞組分析

為進(jìn)一步分析CSA 措施實(shí)施過(guò)程中SOC 含量變化的影響因素，本研究將摘錄的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分布均勻，避免影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，然后利用Meta 分析中的亞組分析方法檢驗(yàn)特定因素下農(nóng)田SOC 的變化情況，包括區(qū)域氣候、土壤條件和管理方式等。通過(guò)亞組分析可以在一定程度上降低上述因素對(duì)整合結(jié)果造成的影響，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分類情況Table 1 Classification of experiment data

2 結(jié)果與分析

2.1 不同CSA措施對(duì)SOC的影響

Meta 分析的結(jié)果如圖2所示，異質(zhì)性檢驗(yàn)達(dá)到顯著水平（P＜0.001），且置信區(qū)間均不包含零值，表明與對(duì)照相比CSA 措施對(duì)農(nóng)田SOC 含量具有顯著提升作用，整體SOC 增長(zhǎng)率為18.19%。4種CSA 措施對(duì)農(nóng)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(zhǎng)率高達(dá)46.67%；其次是秸稈還田，SOC 增長(zhǎng)率為17.08%；綠肥和免耕措施對(duì)SOC 的提升效果相對(duì)較弱，SOC 增長(zhǎng)率分別為9.32%和7.34%。

圖2 CSA措施對(duì)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的因素之一，因此本研究收集了試驗(yàn)地年平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行亞組分析，并將結(jié)果繪制成森林圖（圖3a、3b），由圖可見95%置信區(qū)間均不包含零值，降水和氣溫亞組下CSA措施對(duì)SOC含量的影響顯著。

圖3 不同氣候和土壤條件下CSA措施對(duì)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(lái)看，CSA措施對(duì)SOC的提升效果受年平均氣溫影響顯著且與之呈正相關(guān)。當(dāng)年平均氣溫≤13.3 ℃時(shí)，CSA 措施下的SOC 增長(zhǎng)率為13.25%，而當(dāng)年平均氣溫＞13.3 ℃時(shí)，SOC 增長(zhǎng)率則會(huì)上升至21.86%。分別看4種措施，綠肥和秸稈還田的實(shí)施效果與上述總體規(guī)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(huì)上升至9.88%和23.64%。免耕和生物炭措施下SOC 增長(zhǎng)率則與氣溫呈負(fù)相關(guān)，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(gè)百分點(diǎn)和9.09個(gè)百分點(diǎn)。

從降水情況來(lái)看，高降水量更有利于CSA措施發(fā)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(dāng)年平均降水量＞800 mm時(shí)其SOC變化率為24.62%，比降水量≤800 mm 時(shí)高出1.42 倍；免耕和綠肥措施受降水影響相對(duì)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(gè)百分點(diǎn)；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(gè)百分點(diǎn)。

2.2.2 土壤

土壤酸堿度是一項(xiàng)重要的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，土層深度對(duì)土壤養(yǎng)分分布至關(guān)重要，而土壤初始SOC含量也會(huì)影響農(nóng)業(yè)措施的實(shí)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(duì)在CSA實(shí)施過(guò)程中的影響，結(jié)果如圖3c～3e所示。

pH 亞組分析結(jié)果顯示在堿性土壤中實(shí)施CSA 措施更利于農(nóng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)到了極顯著的水平，兩者相差高達(dá)3.03倍，在實(shí)施免耕措施時(shí)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(gè)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(jié)果顯示土壤深度對(duì)CSA 措施的實(shí)施效果影響顯著，CSA措施對(duì)耕作層SOC的影響（變化率20.12%）要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(qū)間包含零值，說(shuō)明其對(duì)SOC 含量無(wú)顯著影響，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；非耕作層生物炭SOC 變化率僅為16.53%，該數(shù)值是生物炭措施在所有影響因素亞組中的最低值，說(shuō)明生物炭雖然是一種高效的固碳材料，但其對(duì)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(shí)施效果受土壤深度影響不大，非耕作層SOC 變化率可達(dá)12.27%，僅比耕作層低6.15個(gè)百分點(diǎn)。

本研究收集了380 條記錄初始SOC 含量的數(shù)據(jù)，并以這380條數(shù)據(jù)的均值11.5 g·kg-1為界劃分高低兩個(gè)亞組，結(jié)果顯示初始SOC 含量較低的情況下，實(shí)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(shí)可以有效促進(jìn)SOC 含量增長(zhǎng)至12.46%，但是在初始SOC 含量較高時(shí)，置信區(qū)間包含零值，對(duì)SOC含量無(wú)顯著影響。綠肥措施下SOC 含量變化則與上述規(guī)律相反，在初始SOC 含量較高的時(shí)候，其SOC 變化率為10.27%，比低初始SOC 含量亞組高2.30 個(gè)百分點(diǎn)。

2.2.3 試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)

隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，CSA措施對(duì)SOC含量的提升效果總體呈現(xiàn)出先上升再下降的趨勢(shì)（圖4a）。當(dāng)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間≤1 a 時(shí)，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(duì)SOC 含量無(wú)顯著影響；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為＞1～5 a 時(shí)，總體SOC 變化率提升至23.57%，此時(shí)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(qū)間依然包含零值，說(shuō)明種植綠肥在5 a 內(nèi)對(duì)SOC含量都沒有顯著的積極影響；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)≥5 a 時(shí)，SOC 增長(zhǎng)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(shí)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?xiàng)l件下CSA措施對(duì)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(nóng)業(yè)種植模式可分為連作和輪作，連作是指在一塊地上連續(xù)種植同一種作物，如我國(guó)南方地區(qū)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(guó)北方常見的冬小麥-夏玉米模式等。根據(jù)Meta 分析的結(jié)果（圖4b）不難發(fā)現(xiàn)：在輪作系統(tǒng)實(shí)施CSA 措施更有利于提升有機(jī)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(shù)據(jù)量少且結(jié)果的置信區(qū)間包含零，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(gè)百分點(diǎn)。在連作系統(tǒng)中實(shí)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(yàn)地區(qū)

我國(guó)幅員遼闊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因地域差異而呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，本研究將試驗(yàn)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(shí)施效果的差異（圖5）?？傮w來(lái)看，在南方地區(qū)實(shí)施CSA 措施對(duì)SOC 的提升效果（變化率22.59%）優(yōu)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(qū)實(shí)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(wú)論在南方還是北方，生物炭對(duì)農(nóng)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(duì)較差，這與前文中各措施的總體實(shí)施效果一致。

圖5 不同試驗(yàn)地區(qū)CSA措施對(duì)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(guò)Meta 分析發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)措施相比，CSA 措施是提升農(nóng)田SOC 含量的重要途徑，在全國(guó)尺度增長(zhǎng)率可達(dá)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(jìn)一步導(dǎo)致4 種措施對(duì)氣候、土壤、管理方式等影響因素響應(yīng)不同。地域亞組分析發(fā)現(xiàn)，4 種措施在我國(guó)南北方實(shí)施效果差異很大，南方地區(qū)實(shí)施CSA 措施對(duì)農(nóng)田SOC的提升更有利。本研究將依次解釋上述結(jié)果，希望能為全面客觀了解CSA 對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC 的影響及機(jī)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(duì)農(nóng)田SOC含量的影響

生物炭對(duì)農(nóng)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(duì)我國(guó)農(nóng)田進(jìn)行的Meta 分析結(jié)果一致，但也有學(xué)者通過(guò)全球Meta 分析得出施用生物炭帶來(lái)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(bào)道了類似的結(jié)果（12.1%）；綠肥作物對(duì)SOC 的作用效果（變化率9.32%）可能會(huì)在很大程度上受到品種的影響，Jian 等[32]通過(guò)Meta 分析得出綠肥作物可使SOC 儲(chǔ)量提升15.5%，而Crystal-Ornelas等[33]則認(rèn)為綠肥作物對(duì)SOC含量無(wú)顯著影響；免耕對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC 含量的促進(jìn)作用最弱（變化率7.34%），這與Bai 等[22]的Meta 分析結(jié)果類似。上述差異可能歸因于4 種措施對(duì)農(nóng)田土壤碳庫(kù)影響功能機(jī)制的不同。

①生物炭。生物炭對(duì)SOC 的提升效果顯著優(yōu)于其他3 種措施，這主要?dú)w因于其特殊的理化性質(zhì)：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(jié)構(gòu)，使其具備了高度穩(wěn)定性[35]。此外，生物炭可以促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，有效保護(hù)土壤團(tuán)聚體形成，減少養(yǎng)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(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)[38]，但總體來(lái)說(shuō)其在農(nóng)田固碳方面具有很大的潛力。②秸稈還田。秸稈還田的實(shí)施效果雖然遠(yuǎn)低于生物炭，但相較于其他兩種措施還是具有一定的優(yōu)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(nóng)田后會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)增加，同時(shí)使得微生物活性增強(qiáng)，可以將秸稈中的SOC 轉(zhuǎn)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(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[41]，使得SOC 可以更穩(wěn)定地在團(tuán)聚體中積累[42]，減少碳的損失。③綠肥。綠肥對(duì)SOC 的影響主要是通過(guò)增加碳輸入實(shí)現(xiàn)的，翻壓以后綠肥本身的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤，為土壤微生物提供了養(yǎng)分，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán)[43]。此外一項(xiàng)位于美國(guó)愛荷華州的田間試驗(yàn)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(huì)促進(jìn)SOC含量的增加。④免耕。免耕對(duì)SOC含量的提升效果最弱，可能是因?yàn)橄噍^于其他3 種措施，其不能直接為農(nóng)田土壤提供外源有機(jī)質(zhì)輸入，因此也就無(wú)法通過(guò)激發(fā)效應(yīng)[45-46]對(duì)土壤碳庫(kù)產(chǎn)生影響。免耕主要是通過(guò)減少損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)SOC含量增長(zhǎng)的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)翻耕對(duì)土壤的頻繁擾動(dòng)會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體[47]，同時(shí)提高土壤透氣性，使得土壤微生物活動(dòng)頻繁，加速SOC 的降解[48]。而免耕則可以避免上述干擾對(duì)SOC造成的損失，同時(shí)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(duì)各影響因素的響應(yīng)

3.2.1 氣候

氣候因素對(duì)農(nóng)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(guān)鍵的兩個(gè)因子[26]，它們會(huì)通過(guò)各種直接或間接的過(guò)程改變SOC的含量，從而對(duì)CSA措施的實(shí)施效果產(chǎn)生影響，這是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。而前文所述4 種措施固碳機(jī)制的差異，導(dǎo)致它們對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)情況也不同，因此在實(shí)踐中應(yīng)考慮區(qū)域氣溫和降水情況，采用最合適的CSA 措施。

具體來(lái)說(shuō)，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(jī)質(zhì)得以累積形成SOC[49]；而由于生物炭的多孔隙結(jié)構(gòu)能夠有效促進(jìn)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(duì)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(qū)施用生物炭對(duì)SOC含量的提升效應(yīng)顯著高于熱帶、溫帶地區(qū)。秸稈還田和綠肥在高溫多雨的條件下更易促進(jìn)SOC含量增加，因?yàn)闅鉁厣?，作物光溫生產(chǎn)力也在增加，進(jìn)入土壤的有機(jī)物更多，同時(shí)豐富的降水使得秸稈和綠肥殘?bào)w易腐爛降解成有機(jī)質(zhì)，SOC 含量隨之增加[52]。免耕在低溫多雨條件下的實(shí)施效果會(huì)更好，因?yàn)榇藭r(shí)實(shí)施免耕有利于保持土壤水分，降低有機(jī)質(zhì)的分解。這與前人的研究結(jié)果不同，Bai 等[22]的Meta 分析得出高溫條件更利于免耕發(fā)揮效果，認(rèn)為氣溫高的區(qū)域SOC分解速率快，在這種情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)翻耕，實(shí)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(nóng)田土壤一項(xiàng)重要的理化性質(zhì)，可以影響作物生長(zhǎng)并調(diào)節(jié)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(duì)SOC的促進(jìn)作用較差，可能的原因是酸性土壤中生物炭會(huì)對(duì)SOC 礦化產(chǎn)生更強(qiáng)烈的激發(fā)效應(yīng)[54]，同時(shí)酸性土壤下的菌群環(huán)境會(huì)加速生物炭和固有SOC的降解，不利于有機(jī)碳含量的提升[55]。而中性或堿性土壤環(huán)境中較高的Ca2+離子含量，會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)礦物復(fù)合體的形成[56]。鑒于我國(guó)酸性土壤分布廣泛，實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用生物炭對(duì)SOC含量的積極影響必須科學(xué)審慎看待。秸稈還田和免耕對(duì)土壤pH 的響應(yīng)與生物炭一致，酸性土壤會(huì)限制作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w數(shù)量少，因而表層土壤SOC含量較低；同時(shí)酸性土壤條件可能會(huì)阻礙微生物的活動(dòng)[57]，不利于土壤中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成SOC。因此在水熱條件較好的熱帶、亞熱帶地區(qū)，農(nóng)民會(huì)向農(nóng)田施用石灰來(lái)中和因淋溶作用導(dǎo)致的土壤酸性[58]，以提高土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。然而也有一些學(xué)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(jìn)SOC 含量提升，這可能與綠肥作物的品種有關(guān)，一些作物更適合在酸性土壤中生長(zhǎng)，則此時(shí)酸性土壤更有利于SOC的固存。

3.2.3 土壤深度

本研究發(fā)現(xiàn)CSA 措施對(duì)農(nóng)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(duì)20 cm 深度以下土壤的影響卻十分有限，這與大多數(shù)研究的結(jié)果基本一致[22，60]。分析原因如下：免耕倡導(dǎo)最小的土壤擾動(dòng)，相較于傳統(tǒng)翻耕，它會(huì)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(nóng)田土壤提供豐富的有機(jī)物質(zhì)，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(shù)農(nóng)作物的根系集中在表層，表層生物量豐富[63]，有機(jī)物質(zhì)的利用效率更高，有利于形成SOC。綜上所述，CSA 措施的實(shí)施效果受土壤深度影響大，具有一定的局限性，但也說(shuō)明0～20 cm 土層具有較大的固碳潛力，可成為研究農(nóng)田土壤碳源/碳匯的關(guān)鍵因素[64]。

3.2.4 初始SOC含量

實(shí)施CSA 措施對(duì)農(nóng)田SOC 含量的影響在很大程度上受到試驗(yàn)地土壤初始SOC 含量的影響。根據(jù)土壤碳飽和假設(shè)，SOC含量的變化與其初始含碳量呈負(fù)相關(guān)，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(yuǎn)[65-67]。本研究結(jié)果中除了綠肥以外的3 種措施均與該結(jié)論相符。這說(shuō)明在一些初始SOC含量較低、土壤條件較差的地區(qū)，通過(guò)改善農(nóng)業(yè)措施來(lái)提高SOC含量是可行并且有效的，這些地區(qū)固碳的潛力往往較大。但也有學(xué)者通過(guò)Meta 分析得出了相反的結(jié)論，Gross 等[56]認(rèn)為初始SOC 含量較高的情況下，施用生物炭會(huì)帶來(lái)更高的SOC增長(zhǎng)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(qū)間包含零值，說(shuō)明此時(shí)免耕相較于傳統(tǒng)翻耕并不能顯著提升SOC含量，因此盡管免耕被認(rèn)為是一項(xiàng)改善土壤質(zhì)量的有效措施，但在實(shí)施推廣時(shí)須考慮當(dāng)?shù)赝寥罈l件，不應(yīng)一概而論。

3.2.5 試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)

本研究結(jié)果顯示4 種措施下SOC 含量增長(zhǎng)率隨試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律可分為兩類：生物炭和秸稈還田對(duì)SOC含量的積極影響隨試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的增加而減弱，綠肥和免耕則相反。

施用生物炭在短期內(nèi)可能會(huì)對(duì)本土SOC 產(chǎn)生正向激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致部分SOC 的損耗，但隨著時(shí)間的增加，激發(fā)效應(yīng)會(huì)隨之減弱，本土SOC 穩(wěn)定性提高[68-69]。而隨著施用時(shí)間的進(jìn)一步推移，SOC含量的提升率有所下降，可能是生物炭對(duì)土壤的堿化作用以及對(duì)作物生長(zhǎng)的刺激減弱，導(dǎo)致植物源有機(jī)物質(zhì)輸入減少[51]。短期秸稈還田對(duì)SOC存在一定的積極影響，而隨著還田時(shí)間增加，土壤中秸稈腐解程度進(jìn)一步提高[70]，SOC 含量達(dá)到了峰值，5 年后秸稈還田對(duì)SOC 含量的影響減弱，可能是因?yàn)榻斩捴泻剂枯^高，長(zhǎng)期施入土壤后會(huì)提高土壤碳氮比，減弱土壤中微生物對(duì)秸稈碳的分解作用[71]。這說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需注意生物炭和秸稈還田的實(shí)施年限，在實(shí)施較長(zhǎng)時(shí)間后適當(dāng)暫停配合其他措施將更利于土壤健康。免耕和綠肥的實(shí)施效果可能存在一定的滯后效應(yīng)[72-73]，本研究結(jié)果證實(shí)了該觀點(diǎn)，只有長(zhǎng)期實(shí)施才能對(duì)SOC含量產(chǎn)生較為可觀的積極影響，在技術(shù)推廣過(guò)程中應(yīng)注意循序漸進(jìn)，加強(qiáng)引導(dǎo)和宣傳，提供必要的支持，讓農(nóng)戶可以長(zhǎng)期持續(xù)地實(shí)施免耕和種植綠肥。但本研究中更長(zhǎng)尺度（＞10 年）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)量少，CSA 措施對(duì)SOC 含量的長(zhǎng)期效應(yīng)仍有待未來(lái)更多研究的驗(yàn)證。

3.2.6 種植模式

種植模式可以通過(guò)影響作物根系或殘?bào)w歸還的數(shù)量和質(zhì)量來(lái)影響SOC 的固定和分解過(guò)程[74]，而SOC含量與輸入的碳源數(shù)量呈正相關(guān)[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(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的重要措施之一[76]。但本研究結(jié)果表明，不同CSA 措施下，種植模式對(duì)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(tǒng)中更利于促進(jìn)SOC含量的提升，因?yàn)榇藭r(shí)輪作系統(tǒng)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(tǒng)中對(duì)SOC含量的提升作用更為顯著，因?yàn)檫B作系統(tǒng)可以提供干擾更小、更為穩(wěn)定的環(huán)境，利于發(fā)揮免耕措施的效果，促進(jìn)農(nóng)田SOC 的累積[23]；相較于連作模式，種植綠肥在輪作模式下對(duì)SOC 的影響不顯著，一方面輪作亞組綠肥數(shù)據(jù)量較少，另一方面綠肥本身品種差異會(huì)導(dǎo)致輸入土壤碳源的數(shù)量和質(zhì)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?bào)w的數(shù)量[26]，而豆科綠肥由于根系不發(fā)達(dá)，地上生物量少，因而碳投入量也較少[77]。在未來(lái)的CSA 實(shí)踐中，需將農(nóng)田種植模式和CSA 措施結(jié)合，選擇最佳組合方式，才能有效促進(jìn)SOC含量的提升。

3.3 CSA措施下SOC含量變化的區(qū)域特征

本研究得出南方地區(qū)實(shí)施CSA 措施更有利于促進(jìn)SOC 含量增長(zhǎng)，可能是由于我國(guó)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(qū)別。此外，本研究摘錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布情況也會(huì)在一定程度上影響最終結(jié)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(lái)說(shuō)高溫多雨更利于CSA 措施下SOC 含量的提高，因此南方地區(qū)具有促進(jìn)SOC 增長(zhǎng)的有利氣候條件。②就土地利用方式而言，北方地區(qū)以旱地為主，南方水田居多，旱地和水田的有機(jī)質(zhì)分解特征存在顯著差異，關(guān)于兩者對(duì)SOC影響規(guī)律的討論很多，但卻未能達(dá)成一致。有學(xué)者認(rèn)為旱地條件更有利于SOC 含量的提升[78-79]，但根據(jù)區(qū)域亞組分析的結(jié)果，本研究?jī)A向于認(rèn)為在水田條件實(shí)施CSA 更利于促進(jìn)SOC 的積累。由于嫌氣分解，水田淹水土壤中有機(jī)物質(zhì)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(jī)質(zhì)降解快，不利于SOC 的積累[81]。③就作物類型和熟制而言，我國(guó)南方地區(qū)主要是一年兩熟至三熟，北方地區(qū)一年一熟至兩年三熟，南北方作物種類差異也很大，導(dǎo)致農(nóng)田生物投入的數(shù)量、種類和周期都不同，這可能會(huì)成為影響CSA實(shí)施效果的因素，但影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。④就土壤條件而言，南方土壤pH 值相對(duì)較低、初始SOC含量高，北方土壤pH值相對(duì)較高而初始SOC 含量低，雖然北方擁有促進(jìn)SOC 增長(zhǎng)的有利土壤條件，但其對(duì)農(nóng)田SOC的影響程度可能仍不及氣候或其他因素。⑤對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)域統(tǒng)計(jì)，結(jié)合2.2 中各影響因素亞組分析的總體結(jié)果，發(fā)現(xiàn)南方地區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)占據(jù)了大多數(shù)促進(jìn)SOC 增長(zhǎng)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(yàn)時(shí)長(zhǎng)。

綜上所述CSA 措施下農(nóng)田SOC 受到多種因素的影響，現(xiàn)實(shí)中上述影響因素往往是交互作用的，因此不同區(qū)域的SOC 變化特征是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。且本研究摘錄的各文獻(xiàn)中田間試驗(yàn)管理方式不同，要進(jìn)一步解釋不同CSA 措施下SOC 含量區(qū)域差異的機(jī)理，仍有待未來(lái)對(duì)各影響因素的交互作用進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

3.4 不確定性分析

Meta 分析的結(jié)果高度依賴于納入文獻(xiàn)的質(zhì)量，受環(huán)境因素和試驗(yàn)方法的影響較大，在對(duì)多項(xiàng)研究進(jìn)行整合時(shí)，異質(zhì)性是難以完全消除的。本研究利用78篇文獻(xiàn)的470組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量分析了CSA 措施對(duì)農(nóng)田SOC 含量的影響。但這78 篇文獻(xiàn)經(jīng)過(guò)了層層篩選，樣點(diǎn)分布可能存在不均勻的情況，且由于不同文獻(xiàn)試驗(yàn)方法差異較大，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，本研究未對(duì)各措施的具體實(shí)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(jìn)行細(xì)化。未來(lái)在Meta 分析前期收集數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)盡可能增大樣本數(shù)據(jù)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的細(xì)化分類，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。相關(guān)的田間定位試驗(yàn)研究也應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)化水平，減少外界干預(yù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并詳細(xì)和準(zhǔn)確地描述試驗(yàn)條件和過(guò)程，以利于研究間的借鑒與整合。

CSA 內(nèi)涵包括可持續(xù)地提高糧食產(chǎn)量、提高農(nóng)業(yè)對(duì)氣候的適應(yīng)能力、減緩溫室氣體排放三大目標(biāo)。本研究重點(diǎn)關(guān)注第三個(gè)目標(biāo)，需要注意的是本研究中4種CSA 措施雖然能夠促進(jìn)農(nóng)田SOC 含量的提升，但有研究表明，它們?cè)谏a(chǎn)或?qū)嵤┑倪^(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生二氧化碳[82-83]，因此探討CSA 實(shí)踐對(duì)固碳減排可能存在的不利影響是必要的。此外CSA 是一項(xiàng)具有系統(tǒng)性和綜合性的農(nóng)業(yè)解決方案，未來(lái)需要進(jìn)一步關(guān)注CSA三大目標(biāo)間的協(xié)同，充分挖掘CSA對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的潛力。

4 結(jié)論

在當(dāng)前氣候變化的背景下，CSA 作為一種可應(yīng)對(duì)氣候變化和糧食安全雙重挑戰(zhàn)的新型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)被寄予厚望。而考慮到我國(guó)地域遼闊，各農(nóng)業(yè)區(qū)域氣候、土壤、管理方式等各異的現(xiàn)實(shí)情況，因地制宜選擇最合適的CSA 措施至關(guān)重要。因此不同于以往的田間定位試驗(yàn)研究或?qū)我晦r(nóng)田管理措施進(jìn)行的Meta分析，本研究選取了4 種在我國(guó)具有代表性的CSA 措施，全面評(píng)估它們對(duì)我國(guó)農(nóng)田SOC含量的影響，并考慮外界環(huán)境因素對(duì)其作用效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在全國(guó)范圍內(nèi)，CSA措施總體可使SOC含量提升18.19%。而由于自身固碳機(jī)制的差異，4種措施對(duì)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?xiàng)l件等多種因素的影響，根據(jù)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(yàn)時(shí)長(zhǎng)和初始SOC含量歸為關(guān)鍵影響因素，將降水、氣溫、種植模式和土壤pH 歸為次關(guān)鍵影響因素。分別看4種措施，對(duì)生物炭和免耕影響最顯著的因素是土壤深度，對(duì)秸稈還田影響最顯著的因素是初始SOC 含量，對(duì)綠肥影響最顯著的因素是試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。在CSA 措施實(shí)施過(guò)程中應(yīng)格外重視關(guān)鍵的影響因素，充分發(fā)揮出每種措施對(duì)SOC的積極影響效果。

（3）4 種措施對(duì)上述影響因素的響應(yīng)情況各異，每種措施促進(jìn)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(jù)土壤pH 亞組結(jié)果，堿性土壤中其對(duì)SOC 的促進(jìn)作用僅次于生物炭；而生物炭雖然總體效果顯著優(yōu)于其他3 種措施，但對(duì)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(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，需根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、土壤條件選擇最合適的CSA 措施，才能充分達(dá)成農(nóng)田固碳的目標(biāo)。

（4）從地域分異來(lái)看，在我國(guó)南方地區(qū)實(shí)施CSA措施帶來(lái)的SOC 含量提升比北方地區(qū)更顯著。因此我國(guó)南方地區(qū)更應(yīng)抓住有利條件，進(jìn)一步推進(jìn)生物炭、免耕、綠肥和秸稈還田等CSA 實(shí)踐；北方地區(qū)也應(yīng)積極探尋更加適合區(qū)域氣候土壤等特征的CSA 措施，以期為我國(guó)農(nóng)田固碳以及溫室氣體減排作出更多貢獻(xiàn)。