王從，孫會(huì)峰，張繼寧，張鮮鮮，周勝*

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究中心，上海 201403；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南沿海農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201403；3.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201403)

有研究表明，陸地生態(tài)系統(tǒng)0～30 cm的土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)儲(chǔ)量約為6.8×1011t[1]，而0～100 cm的SOC含量則高達(dá)1.5×1012t[2]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物質(zhì)碳庫(kù)的2～4倍、大氣碳庫(kù)總儲(chǔ)量的2倍以上[3-4]。因此，陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳庫(kù)含量的輕微變化，也會(huì)對(duì)全球大氣碳濃度產(chǎn)生巨大影響。作為受人類活動(dòng)影響最為深刻的一類生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的碳庫(kù)，也是一類可通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行適度調(diào)節(jié)的碳庫(kù)。利用適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)、農(nóng)藝措施，通過(guò)提高農(nóng)田土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量實(shí)現(xiàn)“藏碳于地”，是目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳減排、碳中和最可行的實(shí)現(xiàn)方案。

我國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)的估算結(jié)果表明，我國(guó)農(nóng)田土壤0～100 cm的碳庫(kù)儲(chǔ)量約為85～95 Pg[5]。近30年來(lái)，我國(guó)農(nóng)田土壤表層SOC含量總體上在不斷增加，其中農(nóng)田30 cm深度的土壤年固碳量在11.0～36.5 Tg，單位面積農(nóng)田的年固碳速率為85～281 kg·ha-1[6]。據(jù)估算，通過(guò)合理的農(nóng)業(yè)農(nóng)藝措施，我國(guó)到2050年農(nóng)田土壤的總體固碳潛力可以達(dá)到20億～25億t，固碳速率可達(dá)3 680萬(wàn)t·a-1[7]。因此，研究如何充分合理利用農(nóng)田土壤碳增匯潛力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳中和，對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)未來(lái)實(shí)現(xiàn)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。

覆蓋作物(cover crop)是一類種植于主要經(jīng)濟(jì)作物耕種間隙，用以降低農(nóng)田土壤侵蝕、保持土壤墑情、控制農(nóng)田雜草或害蟲(chóng)的一類功能性農(nóng)作物的統(tǒng)稱[8]。從世界農(nóng)耕發(fā)展史來(lái)看，現(xiàn)代意義上的覆蓋作物概念最早則可追溯到20世紀(jì)50年代[9]，而早期的農(nóng)業(yè)綠肥(green manure)和填閑作物，均與現(xiàn)代覆蓋作物的概念存在一定交叉。伴隨著大量的田間研究，覆蓋作物在減少農(nóng)田土壤侵蝕、減緩?fù)寥婪柿λp等方面，均被證明具有良好的應(yīng)用效果[10-12]。近年來(lái)，覆蓋作物憑借綠色、低投入、低消耗的特點(diǎn)，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)始逐漸受到人們的關(guān)注。農(nóng)田覆蓋作物種植技術(shù)，作為基于自然的解決方案(nature-based solution，NbS)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯中的積極作用已得到了較為廣泛的認(rèn)可[13]?；?0世紀(jì)90年代Fisher等[14]在美國(guó)南部開(kāi)展的牧草固碳功能研究，覆蓋作物在農(nóng)田土壤固碳領(lǐng)域的應(yīng)用隨即獲得了廣泛關(guān)注，關(guān)于覆蓋作物碳匯效應(yīng)的研究也開(kāi)始逐漸增多[15]。未來(lái)20～30年，農(nóng)田土壤固碳潛力挖掘和碳匯提升，在我國(guó)農(nóng)業(yè)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)上將扮演重要角色，同時(shí)對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)也將發(fā)揮重要作用。因此，作為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤碳增匯的重要途徑之一，研究基于覆蓋作物種植的農(nóng)田土壤固碳技術(shù)，闡明其固碳機(jī)制及調(diào)控因素，對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展意義重大。

本文系統(tǒng)總結(jié)了覆蓋作物在國(guó)內(nèi)外農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳領(lǐng)域的研究案例，綜述了不同覆蓋作物應(yīng)用情境下的農(nóng)田土壤固碳能力變化，整理與分析了可能影響覆蓋作物固碳效果的農(nóng)業(yè)、農(nóng)藝因素，為我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)固碳減排領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)提供新思路。

1 覆蓋作物實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳的途徑

1.1 增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳輸入

覆蓋作物作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，其可通過(guò)光合作用吸收大氣中的二氧化碳并固定為植株生物量碳，進(jìn)而通過(guò)光合產(chǎn)物向地下部的運(yùn)輸，或通過(guò)植株殘?bào)w分解等形式，將有機(jī)碳輸入農(nóng)田土壤，進(jìn)而改變農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)的累積特征，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳[16-17]。其中，覆蓋作物光合產(chǎn)物通過(guò)根系分泌物的形式向根際土壤輸入有機(jī)碳，是覆蓋作物固碳的重要途徑之一。針對(duì)農(nóng)田作物光合產(chǎn)物碳源分配的研究表明，約20%～30%的植株光合產(chǎn)物碳源經(jīng)植株的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)作用進(jìn)入地下部，其中約一半的光合碳以生物量的形式固定于作物根系中，其余碳除去部分呼吸消耗以外，均以有機(jī)碳的形式固定于農(nóng)田根際土壤中[18]。Schmitt等[19]的研究表明，豆科(苜蓿)與非豆科(黑麥草)覆蓋作物，其光合產(chǎn)物碳在地上部和地下部的分配比例相近，同時(shí)兩者的光合產(chǎn)物碳向土壤可溶性有機(jī)碳和微生物生物量中的分配比例也基本相同?？紤]到不同類群覆蓋作物在植株生物量上的差異，可以認(rèn)為具有更高生物量的覆蓋作物類群，其在根系碳分泌物輸入途徑上的固碳潛力往往也會(huì)更高。

覆蓋作物有機(jī)碳向土壤輸入的另一途徑是以覆蓋作物殘茬、秸稈或全株還田的形式，將覆蓋作物固定的大量有機(jī)碳源直接輸入土壤的過(guò)程。在覆蓋作物生物量還田過(guò)程中，輸入農(nóng)田土壤的新鮮有機(jī)碳，經(jīng)過(guò)土壤微生物的分解、礦化和同化作用，最終以可溶性有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳和微生物量碳等形式固定于土壤有機(jī)碳庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤碳匯提升[20]。大量研究均表明，作物生物量還田不論從短期還是長(zhǎng)期效應(yīng)上來(lái)看，都是增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳的最直接，同時(shí)也是最有效途徑[21-22]。Huang等[23]基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的DLEMAg模型估算結(jié)果表明，在免耕條件下，夏季玉米和冬季覆蓋作物輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，表層土壤固碳量與冬季覆蓋作物和夏季玉米秸稈的生物量碳輸入量呈高度正相關(guān)。Leomo等[24]研究表明，在排除其他影響因素的條件下，僅以覆蓋作物牛筋草(Eleusineindica)、距瓣豆(Centrosemapubescens)和毛蔓豆(Calopogoniummucunoides)植株生物量還田，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量從最初的0.07 g·kg-1分別增加到了0.36、0.36和0.40 g·kg-1?？梢?jiàn)從覆蓋作物固碳的實(shí)現(xiàn)途徑來(lái)看，覆蓋作物生物量還田是農(nóng)田土壤固碳應(yīng)用層面上最為直接且行之有效的途徑。

除覆蓋作物生物量直接還田以外，也有研究認(rèn)為覆蓋作物對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體生產(chǎn)力的促進(jìn)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳的另一間接作用機(jī)制?，F(xiàn)有研究表明，不同覆蓋作物類型對(duì)于主要農(nóng)作物生產(chǎn)力的影響作用存在差異，其中豆科覆蓋作物對(duì)于主要農(nóng)作物生產(chǎn)力在總體上是具有促進(jìn)作用的[25]。而非豆科覆蓋作物對(duì)于主要經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)力的影響效果，往往更易受田間實(shí)際農(nóng)事管理模式的影響，從而導(dǎo)致不同的作物生產(chǎn)力響應(yīng)[25-27]。針對(duì)玉米田的研究表明，二月蘭和冬油菜作為覆蓋作物種植，可提高玉米植株對(duì)于養(yǎng)分的吸收，并顯著增加玉米秸稈生物量和籽粒產(chǎn)量[28]。但也有研究表明，覆蓋作物種植可顯著增加農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)，但土壤有機(jī)碳庫(kù)提升的主要貢獻(xiàn)者是覆蓋作物，而非農(nóng)田系統(tǒng)中的主要作物[25，29]。Odland等[30]通過(guò)長(zhǎng)期田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玉米農(nóng)田中黑麥作為覆蓋作物輪作種植，能夠提高后續(xù)玉米的籽粒和秸稈產(chǎn)量。然而，也有研究認(rèn)為，休耕期間種植覆蓋作物，對(duì)農(nóng)田主要農(nóng)作物產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響[31]，甚至在部分情況下覆蓋作物種植可能會(huì)導(dǎo)致主要作物出現(xiàn)減產(chǎn)的情況[25]。但Mohamed等[25]的研究也表明，通過(guò)改變覆蓋作物的種植類群，能夠避免覆蓋作物種植對(duì)主要農(nóng)作物生產(chǎn)力造成負(fù)面影響，并實(shí)現(xiàn)主要經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量從減產(chǎn)4%提升至增產(chǎn)13%。上述研究結(jié)果表明，覆蓋作物類群的選擇可能是影響農(nóng)田主要作物生產(chǎn)力水平的關(guān)鍵因素，在合理的主要農(nóng)作物和覆蓋作物種植模式下，覆蓋作物種植可通過(guò)促進(jìn)主要經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)力進(jìn)而間接提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體固碳潛力，但不合理的覆蓋作物匹配模式不但不利于主要經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)，還可能對(duì)農(nóng)田土壤的固碳進(jìn)程產(chǎn)生不利影響。

1.2 減少農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)損失

覆蓋作物最初的種植目的，即是旨在緩解農(nóng)田裸土的水蝕、風(fēng)蝕和養(yǎng)分淋溶等問(wèn)題[32]。而在土壤被侵蝕流失的過(guò)程中，土壤表層有機(jī)碳庫(kù)也會(huì)因土壤有機(jī)養(yǎng)分的流失而急劇下降[33-34]。對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，因各種侵蝕作用而損失的農(nóng)田土壤，其有機(jī)碳含量是經(jīng)侵蝕后的剩余農(nóng)田表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的1.3～5.0倍[35]。因此，覆蓋作物種植對(duì)農(nóng)田土壤固碳的積極作用，首先就是通過(guò)降低農(nóng)田土壤侵蝕而導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳損失來(lái)實(shí)現(xiàn)的[17]。Beale等[36]研究表明，與長(zhǎng)期單一玉米種植相比，野豌豆(vetch)和黑麥(rye)混播作為冬季輪作覆蓋作物，可使玉米田土壤流失從8.4 t·hm-2大幅降低至3.5 t·hm-2。在一個(gè)大豆(soybean)農(nóng)田冬季覆蓋作物輪作的研究案例中，與常規(guī)冬季休耕模式相比，冬季覆蓋作物輪作可大幅度降低77.5%的農(nóng)田表層土壤流失量[37]。而與常規(guī)翻耕農(nóng)田相比，覆蓋作物在免耕農(nóng)田系統(tǒng)中的應(yīng)用效果更為明顯，Zhu等[12]對(duì)免耕條件下的大豆田覆蓋作物土壤侵蝕防控效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與休閑季無(wú)覆蓋作物相比，雞尾草(chickweed)、加拿大早熟禾(Canada bluegrass)和早雀麥(downy brome)作為覆蓋作物輪作，可有效削減82.6%、92.7%和90.8%的耕層土壤流失量。Mutchler等[38]對(duì)于棉花種植農(nóng)田的研究結(jié)果表明，野豌豆(vetch)作為覆蓋作物種植，可顯著降低棉田土壤流失達(dá)88.5%。Salter 等[39]研究了美國(guó)冬季覆蓋作物對(duì)土壤碳含量的影響結(jié)果表明，具有30年種植歷史的農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量從玉米單作農(nóng)田的凈損失3.12%，提高到覆蓋作物種植耕地的凈增1.36%。

從覆蓋作物對(duì)土壤抗侵蝕性的提升作用機(jī)制來(lái)看，除了覆蓋作物植株本身在宏觀結(jié)構(gòu)上的物理遮蔽和根系固持作用外，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提升也是減少農(nóng)田土壤有機(jī)碳損失重要因素。研究表明，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在土壤結(jié)構(gòu)保持、入滲性和防侵蝕性能方面均有極為重要影響[40]。農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的形成與土壤有機(jī)碳水平和狀態(tài)密切相關(guān)，并且土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也能夠增加對(duì)土壤有機(jī)碳組分的物理保護(hù)作用，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的有效固定，同時(shí)降低因土壤侵蝕引起的土壤碳庫(kù)損失[41]。Blanco-Canqui等[16]研究也表明，農(nóng)田土壤有機(jī)碳水平的提高與土壤團(tuán)聚體狀態(tài)息息相關(guān)，通過(guò)細(xì)粒與粗粒土壤團(tuán)聚體的融合，增強(qiáng)土壤顆粒間的結(jié)合力，可提高土壤大團(tuán)聚體的比例和穩(wěn)定性。Zhang等[42]研究表明，豆科覆蓋作物配合長(zhǎng)期氮肥施用，可以顯著提高農(nóng)田土壤中大團(tuán)聚體(>5 mm)的比例，改善土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性。Bruce等[43]研究表明，絳三葉作為覆蓋作物納入高粱農(nóng)田后，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性提升了50%。以油菜(oilseed rape)、苦蕎麥(buckwheat)、大麥(barley)和黑麥(rye)作為覆蓋作物時(shí)，農(nóng)田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性均較無(wú)覆蓋作物處理顯著提高[44]。總體上看，對(duì)于具有較高土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，覆蓋作物種植對(duì)于農(nóng)田土壤防侵蝕性的提升，以及農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)的保護(hù)具有積極作用?？梢?jiàn)覆蓋作物在農(nóng)田土壤碳庫(kù)收(增加土壤有機(jī)碳輸入)支(降低農(nóng)田碳庫(kù)損失)兩方面的積極作用，均是農(nóng)田土壤實(shí)現(xiàn)碳增匯的重要途徑。

1.3 改變農(nóng)田土壤功能微生物碳代謝特征

土壤微生物是農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的主要承擔(dān)者，土壤碳循環(huán)過(guò)程相關(guān)功能微生物的代謝特征變化，是影響土壤有機(jī)碳組成、周轉(zhuǎn)時(shí)間和礦化速率的關(guān)鍵因素。大量研究表明，覆蓋作物種植可改變農(nóng)田土壤碳循環(huán)關(guān)鍵功能微生物代謝特征，從而改變農(nóng)田土壤碳庫(kù)的累積與釋放[45-47]。Buyer等[48]研究表明，野豌豆和黑麥作為覆蓋作物輪作時(shí)，可通過(guò)根系分泌物、根系和地上部有機(jī)質(zhì)分解，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入土壤，進(jìn)而增加蔬菜田土壤微生物生物量，同時(shí)還會(huì)改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)田土壤中的養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程。任慧等[49]研究表明，與小麥-休閑模式相比，小麥-箭筈豌豆、小麥-油菜-箭筈豌豆輪作模式均不同程度增加了農(nóng)田土壤微生物量碳含量，改變土壤微生物的固碳能力。菌根真菌作為農(nóng)田土壤碳循環(huán)過(guò)程中最重要的功能微生物，其在植物地下部碳分配[50-51]、根系分泌物利用與轉(zhuǎn)化[52-53]，以及農(nóng)田土壤碳固定方面均起到關(guān)鍵調(diào)控作用，因此，菌根侵染率是農(nóng)田作物-土壤系統(tǒng)碳循環(huán)活躍度的重要衡量指標(biāo)之一。Kabir等[54]研究表明，以黑麥和燕麥(oats)作為覆蓋作物的甜玉米(sweet corn)田菌根侵染率較甜玉米-休閑耕作模式顯著提高，此外與黑麥、燕麥單作相比，兩者混播時(shí)菌根侵染率還會(huì)進(jìn)一步顯著提高，進(jìn)而影響農(nóng)田土壤碳循環(huán)進(jìn)程。

土壤碳庫(kù)的激發(fā)效應(yīng)(priming effect)是外源有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤后，改變?cè)型寥姥h(huán)平衡，加速土壤原有碳庫(kù)礦化分解的現(xiàn)象[55]。目前的研究普遍認(rèn)為，外源碳輸入導(dǎo)致的激發(fā)效應(yīng)是影響土壤碳庫(kù)可持續(xù)積累的重要限制性因素，而土壤中的功能微生物的碳氮代謝平衡被打破，是激發(fā)效應(yīng)的主要成因[56-57]。Broadbent等[58]將蘇丹草秸稈施入土壤中，發(fā)現(xiàn)激發(fā)效應(yīng)使土壤中原有的腐殖質(zhì)礦化速率增加了4～11倍。 鄭佳舜等[46]對(duì)冬季紫云英輪作的雙季稻田研究表明，在粉壟耕作條件下紫云英壓青還田處理較無(wú)紫云英還田處理顯著增加了土壤微生物量碳含量，但同時(shí)也增加了土壤有機(jī)碳礦化量和土壤有機(jī)碳礦化潛勢(shì)。從農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)形成的過(guò)程來(lái)看，農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)的收支動(dòng)態(tài)是直接影響土壤碳增匯還是碳失匯的關(guān)鍵因素，與覆蓋作物輸入的新鮮有機(jī)質(zhì)組分相比，土壤有機(jī)碳庫(kù)中的顆粒態(tài)有機(jī)碳、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳等組分，大都是經(jīng)過(guò)腐殖化作用后具有較長(zhǎng)周轉(zhuǎn)時(shí)間的有機(jī)碳組分。因此，激發(fā)效應(yīng)的存在是影響覆蓋作物固碳效果的一大不利因素，但目前的研究個(gè)案之間缺乏可對(duì)比性，因此，在后期覆蓋作物固碳研究方面，十分有必要對(duì)不同覆蓋作物類群和耕作方式下的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)弱進(jìn)行深入研究和評(píng)估。

2 覆蓋作物固碳效應(yīng)的影響因素

2.1 覆蓋作物類群對(duì)農(nóng)田土壤固碳的影響

從覆蓋作物的分類看，常見(jiàn)覆蓋作物主要可分為豆科和非豆科兩大類，其中非豆科覆蓋作物根據(jù)具體作物的植物學(xué)分類還能夠繼續(xù)細(xì)分為禾本科(Poaeae)、十字花科(Cruciferae)和傘形科(Apiales)等，其中在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的主要是豆科與禾本科覆蓋作物[8]。諸多研究表明，不同作物類群由于在生長(zhǎng)策略、根系性狀和營(yíng)養(yǎng)組成方面存在明顯差異，因此，在作物養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)、有機(jī)碳輸入水平、根系分泌物特征等諸多方面存在區(qū)別，進(jìn)而對(duì)于覆蓋作物的固碳效應(yīng)產(chǎn)生影響[59-61]。唐海明等[62]對(duì)比分析了雙季稻-覆蓋作物輪作農(nóng)田和雙季稻-休閑農(nóng)田土壤的碳累積動(dòng)態(tài)，研究結(jié)果表明，在早稻收獲時(shí)冬季種植黑麥草、紫云英、馬鈴薯和油菜作為覆蓋作物的農(nóng)田較冬季休閑農(nóng)田，分別提升了10.7%、14.5%、17.6%和6.9%的土壤有機(jī)質(zhì)含量(0～5 cm)。碳氮比是控制有機(jī)物料腐解和養(yǎng)分釋放的重要因素之一，秸稈中初始碳氮比通?？勺鳛轭A(yù)測(cè)秸稈降解動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)[63]。因此，也有研究認(rèn)為，覆蓋作物不同類群在土壤固碳效應(yīng)方面的差異，可能與覆蓋作物植株的營(yíng)養(yǎng)組分構(gòu)成相關(guān)。與豆科覆蓋作物相比，由于禾本科等非豆科覆蓋作物在土壤中的分解速率較低，因此，非豆科覆蓋作物對(duì)于農(nóng)田土壤的有機(jī)碳具有更好的提升效果[16]。而豆科覆蓋作物普遍具有較低的碳氮比，其分解與釋放速率較高，而高碳氮比覆蓋作物由于微生物利用效率較低，其有機(jī)質(zhì)的分解速率較低，使覆蓋作物有機(jī)碳組分在土壤系統(tǒng)中具有了更長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)時(shí)間，有利于有機(jī)碳組分在土壤中的持續(xù)固存[64-65]。然而Zhang等[66]通過(guò)對(duì)絳車軸草(crimson clover)、小黑麥(triticale)和加拿大油菜(canola)這3種不同類群的覆蓋作物研究表明，雖然不同覆蓋作物類群在有機(jī)碳的輸入量和組分上存在一定差異，但其在土壤有機(jī)碳積累效應(yīng)上并未表現(xiàn)出明顯差異。Zhang等[66]認(rèn)為，不同覆蓋作物類群對(duì)農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(POM)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)(MAOM)的形成途徑存在影響，通過(guò)改變植物源有機(jī)碳向POM和MAOM的轉(zhuǎn)化比例，進(jìn)而改變覆蓋作物對(duì)農(nóng)田土壤固碳的實(shí)際效應(yīng)，從有機(jī)碳組成和穩(wěn)定性上影響覆蓋作物來(lái)源有機(jī)碳在土壤碳庫(kù)中的固存效率。綜上所述，不同覆蓋作物類群在農(nóng)田土壤固碳效應(yīng)方面的表現(xiàn)差異，可能取決于不同覆蓋作物植株本身生物量碳在土壤中的分解特性、最終產(chǎn)物的存在形式和構(gòu)成比例所共同決定的。

2.2 耕種方式對(duì)覆蓋作物固碳效果的影響

種植模式對(duì)于覆蓋作物固碳效應(yīng)的影響，主要涉及覆蓋作物單作、混作和間、套作之間固碳能力的差異。朱亞瓊等[67]研究表明，與油菜和花生分別單播種植相比，油菜和花生同行混作顯著增加了0～20 cm耕層的土壤有機(jī)質(zhì)含量，而油菜與鷹嘴豆混作也顯著增加了0～10 cm耕層的土壤有機(jī)質(zhì)含量；與燕麥和白花草木樨單播相比，兩者同行混作和異行間作也均顯著增加0～20 cm耕層的土壤有機(jī)質(zhì)含量。此外，覆蓋作物間作條件下的行距參數(shù)也對(duì)農(nóng)田土壤碳積累具有一定影響，與玉米30 cm行距+鷹嘴豆170 cm的種植模式相比，玉米50 cm行距+鷹嘴豆150 cm行距間作模式下的農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～10 cm的耕層深度范圍內(nèi)顯著增加[67]。Fae等[68]研究發(fā)現(xiàn)，相較于單播種植，覆蓋作物混播對(duì)于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的提升作用更為顯著，而對(duì)于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的提升效應(yīng)，主要是緣于混播種植的覆蓋作物的地上部和地下部較單播覆蓋作物群體均具有更高的生物量?jī)?yōu)勢(shì)。Stavi等[69]對(duì)比分析了奧地利冬豌豆(Austrian winter pea)和蘿卜(radish)混播與奧地利冬豌豆單播條件下農(nóng)田土壤有機(jī)碳累積情況，結(jié)果表明，混播條件下的土壤有機(jī)碳含量由單播的15.9 g·kg-1提高到19.4 g·kg-1。相關(guān)研究結(jié)果也進(jìn)一步表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)覆蓋作物物種多樣性的提升，對(duì)于農(nóng)田土壤固碳大多具有積極作用[59，70-71]。因此，與單一作物類群覆蓋作物輪作相比，多種覆蓋作物混播、覆蓋作物套播對(duì)于農(nóng)田土壤固碳具有更好的促進(jìn)作用[68-69]。Zhang等[66]研究表明，雖然絳車軸草、小黑麥和加拿大油菜單播條件下的農(nóng)田土壤SOC均較休耕顯著提高，但3種覆蓋作物混播進(jìn)一步地提升了覆蓋作物農(nóng)田固碳量。研究認(rèn)為，不同類群覆蓋作物混播，會(huì)改變覆蓋作物來(lái)源的有機(jī)碳向土壤中POM和MAOM的轉(zhuǎn)化量，通過(guò)改變農(nóng)田土壤有機(jī)碳的形成途徑和固存形式，進(jìn)而影響農(nóng)田短期和長(zhǎng)期時(shí)間尺度上的土壤的固碳量[66]。

農(nóng)田土壤耕作作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的重要技術(shù)手段，其在改善土壤結(jié)構(gòu)、耕層質(zhì)量和培肥地力方面起到重要作用，同時(shí)耕作措施還與土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)特性和養(yǎng)分循環(huán)特征密切相關(guān)[72-73]。但是從保護(hù)性耕作角度來(lái)看，常規(guī)耕作農(nóng)田的翻耕操作容易對(duì)土壤耕層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致易分解有機(jī)碳損失，從而影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)的積累[74]。覆蓋作物在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)于具有較強(qiáng)根系的覆蓋作物類群，其對(duì)農(nóng)田土壤的疏松作用也是覆蓋作物種植的關(guān)注點(diǎn)之一[17，75]。同時(shí)，大量研究證明包括免耕、覆蓋作物種植等技術(shù)在內(nèi)的保護(hù)性耕作，在農(nóng)田有機(jī)碳庫(kù)提升等方面具有較好的效果[76-77]。因此，在多數(shù)面向保護(hù)性耕作應(yīng)用的覆蓋作物種植案例中，分析對(duì)比常規(guī)耕作和免耕條件下的覆蓋作物種植農(nóng)田土壤碳累積差異，就具有了更多現(xiàn)實(shí)意義。Huang等[23]通過(guò)模型模擬分析了1970—2018年美國(guó)中南部玉米產(chǎn)區(qū)的農(nóng)田土壤碳累積情況，模型分析結(jié)果表明，具有覆蓋作物輪作的免耕玉米農(nóng)田可實(shí)現(xiàn)較常規(guī)耕作農(nóng)田每年0.22 Mg·hm-2的固碳增量。Olson等[78]研究了不同耕作條件下，種植了毛苕子(hairy vetch)和黑麥(rye)的覆蓋作物農(nóng)田，結(jié)果表明免耕條件下覆蓋作物農(nóng)田土壤年固碳量為0.88 Mg·hm-2，而鏨式犁和鏵式犁翻耕條件下的覆蓋作物農(nóng)田土壤的年固碳量?jī)H為0.49和0.1 Mg·hm-2。免耕條件下更高的土壤碳積累量，可能與不同耕作模式下覆蓋作物生物量的差異有關(guān)。與常規(guī)耕作相比，覆蓋作物在免耕條件下土壤擾動(dòng)更小，同時(shí)免耕條件下土壤濕度的保持更利于覆蓋作物產(chǎn)生更高的生物量，因此，土壤會(huì)獲得更高的有機(jī)碳輸入水平，進(jìn)而增加免耕條件下的農(nóng)田土壤有機(jī)碳累積量[23]。

2.3 還田方式對(duì)覆蓋作物固碳效果的影響

覆蓋作物還田方式是影響有機(jī)碳向農(nóng)田土壤中輸入和固定的重要影響因素，不同的還田方式會(huì)改變覆蓋作物秸稈在土壤中的分解與養(yǎng)分釋放特征，同時(shí)還會(huì)進(jìn)一步影響到農(nóng)田土壤碳庫(kù)活性和養(yǎng)分有效性[79-81]。覆蓋作物還田技術(shù)，主要涉及覆蓋還田和翻壓還田這兩大類。李忠義等[81]通過(guò)田間試驗(yàn)，對(duì)比分析了覆蓋還田和翻壓還田條件下，貓豆和赤小豆還田后的植株有機(jī)碳組分釋放特征，結(jié)果表明翻壓還田條件下貓豆和赤小豆的有機(jī)碳釋放速率均高于免耕覆蓋還田方式。在翻壓還田0～20 d時(shí)，貓豆和赤小豆的有機(jī)碳釋放速率分別為6.63和6.22 mg·d-1，而覆蓋還田條件下則分別僅為2.99和2.78 mg·d-1[81]。從有機(jī)碳組分累積釋放率和釋放速率來(lái)看，翻壓還田方式均要高于免耕覆蓋方式。從農(nóng)田土壤碳固定的角度來(lái)看，馮秋蘋(píng)等[79]基于對(duì)玉米秸稈還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響研究發(fā)現(xiàn)，與秸稈不還田處理相比，玉米秸稈覆蓋還田使土壤有機(jī)質(zhì)增加了42.67%，而翻壓還田則使農(nóng)田土壤有機(jī)碳增加了52.26%?？傮w上，覆蓋還田加速了覆蓋作物有機(jī)碳的循環(huán)進(jìn)程，而翻壓還田則可降低覆蓋作物植株有機(jī)碳的分解釋放速率，從而增加有機(jī)碳在土壤系統(tǒng)中的周轉(zhuǎn)時(shí)間以提升覆蓋作物農(nóng)田的土壤固碳效果。

3 我國(guó)覆蓋作物農(nóng)田碳匯提升研究展望

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外就覆蓋作物在農(nóng)田固碳增效方面的研究日益增多，并且在農(nóng)田土壤固碳的實(shí)際應(yīng)用方面也有諸多成功案例。本文基于現(xiàn)有的覆蓋作物固碳研究實(shí)例和部分模型評(píng)估結(jié)果，對(duì)覆蓋作物的農(nóng)田土壤固碳途徑和影響因素進(jìn)行了梳理。總體而言，覆蓋作物對(duì)于農(nóng)田土壤碳增匯是具有積極意義的，這有利于進(jìn)一步深入開(kāi)展基于覆蓋作物種植的農(nóng)田碳增匯機(jī)制研究和應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)。在機(jī)制研究方面，除了本文已歸納和總結(jié)的調(diào)控因素外，也有研究認(rèn)為覆蓋作物的固碳效應(yīng)，還與當(dāng)?shù)貧夂蝾愋汀⑼寥蕾|(zhì)地、土壤起始有機(jī)碳水平以及種植年限等因素有關(guān)[16，82]。因此，針對(duì)具體的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，環(huán)境因子往往也是改變覆蓋作物固碳效能的重要參考因素。相似的覆蓋作物種植體系，在不同氣候帶中的生產(chǎn)力和固碳作用表現(xiàn)很有可能存在差異，例如長(zhǎng)江中下游地區(qū)的稻-豆科覆蓋作物輪作體系在淮河流域應(yīng)用時(shí)，可能難以達(dá)到相同的土壤固碳水平。但是，目前針對(duì)氣候等環(huán)境因子對(duì)覆蓋作物應(yīng)用的研究報(bào)道較為缺乏，不同類群覆蓋作物農(nóng)田土壤的固碳效應(yīng)對(duì)于環(huán)境因子的差異化響應(yīng)，目前還缺乏充分的認(rèn)知。此外，有研究表明覆蓋作物種植在提升土壤碳匯的同時(shí)，也促進(jìn)了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放[83-84]，因此，覆蓋作物的固碳效應(yīng)會(huì)被農(nóng)田增加的碳排放削弱或抵消。針對(duì)這種碳固定和溫室氣體排放此消彼長(zhǎng)的情況，在后面的研究中應(yīng)更加關(guān)注覆蓋作物種植對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體溫室效應(yīng)的影響，結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)方法，全面評(píng)估覆蓋作物對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支的綜合效應(yīng)，從而推動(dòng)覆蓋作物種植等相關(guān)技術(shù)方法在我國(guó)農(nóng)業(yè)固碳減排工作中的應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。