论文标题：Straw mulching has an enduring positive effect on soil CO₂ emissions in a humid plantation

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Quan LI, Jiarui FU, Jiahui ZENG, Chao ZHANG, Changhui PENG, Lei DENG, Tingting CAO, Man SHI, Zhikang WANG, Junbo ZHANG, Weifeng ZHANG, Yi ZHANG, Xinzhang SONG

发表时间：15 Jun 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2025607

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Jun 2025, Volume 12 Issue 2

· 第十篇 ·

▎论文ID

Straw mulching has an enduring positive effect on soil CO₂ emissions in a humid plantation

秸秆覆盖驱动湿润区人工林土壤CO₂排放的长期调控效应与机制解析

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：李全, 付佳睿

通讯作者：宋新章

Email: songxinzhang@gmail.com

作者单位：浙江农林大学

Cite this article :

Quan LI, Jiarui FU, Jiahui ZENG, Chao ZHANG, Changhui PENG, Lei DENG, Tingting CAO, Man SHI, Zhikang WANG, Junbo ZHANG, Weifeng ZHANG, Yi ZHANG, Xinzhang SONG. Straw mulching has an enduring positive effect on soil CO₂ emissions in a humid plantation. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(2): 323–336 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2025607

· 文 章 摘 要 ·

覆盖管理作为重要的农业措施，显著影响着生态系统碳通量动态。然而，针对亚热带湿润区人工林生态系统，秸秆覆盖对土壤CO?通量的多阶段持续影响机制尚未明晰。本研究通过为期三年的毛竹林定位观测实验，系统解析覆盖期与遗留期 (覆盖物移除期) 土壤CO₂通量及有机碳的响应规律。结果表明：(1) 覆盖期秸秆处理使土壤CO₂通量激增至对照处理的18倍，主要原因是土壤温度上升导致的微生物矿化作用增强；(2) 遗留期秸秆处理CO₂通量仍是对照处理的2.3–2.7倍，其主要驱动因素转变为土壤养分含量提升激发的土壤微生物活性增强；(3) 全周期内土壤有机碳含量增幅达27%–72%，表明秸秆覆盖措施通过碳输入—输出再平衡实现净碳固存。本研究揭示了秸秆覆盖在湿润区人工林生态系统中兼具短期激发效应与长期碳汇增益的双重特性，为亚热带森林碳汇管理提供理论依据。

· 文 章 亮 点 ·

1. 秸秆覆盖期间，土壤温度升高是导致土壤CO₂排放增加的主要驱动因素。

2. 覆盖遗留期，土壤养分增加成为土壤CO₂排放增强的关键因子。

3. 秸秆覆盖显著提升了湿润区毛竹林土壤有机碳含量。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

土壤呼吸 (Soil Respiration, Rs) 是陆地生态系统碳循环的关键环节，其动态直接影响人工林碳汇功能的精准评估。在全球人工林集约化经营背景下，秸秆覆盖作为典型可持续管理措施，通过调控土壤微环境与生物活性显著改变Rs通量特征。然而，现有研究多关注秸秆覆盖农田的即时效应，对人工林及其遗留效应及其长效调控机制仍缺乏系统认知。基于此，本研究以亚热带毛竹 (Phyllostachys edulis) 林 (占中国竹林总面积70%) 为对象，探究秸秆覆盖措施对毛竹林Rs的持续影响机制。本研究创新性提出双阶段假设：(1) 即时效应期（覆盖期）：秸秆覆盖通过水热条件优化驱动CO₂通量激增；(2) 覆盖遗留期：移除覆盖物后，秸秆覆盖物遗留的碳氮富集持续刺激微生物代谢活性，进而提高土壤CO₂通量。本成果揭示秸秆覆盖措施对湿润区毛竹林的土壤碳循环双阶段调控规律，为优化竹林碳汇管理、协调生态效益与经济效益提供理论支撑。

图1 覆盖材料、质量及覆盖时间示意图，以及用于测定土壤呼吸的聚氯乙烯 (PVC) 环。SM：覆盖期；ESM：覆盖遗留期。

▎研究结果

在覆盖期，秸秆覆盖显著提高了毛竹林的土壤CO₂通量 (图2)，主要机制在于冬季秸秆覆盖提升了土壤温度 (图3、图4)，从而增强了土壤自养呼吸和异养呼吸。一方面，秸秆覆盖显著增加了毛竹根系生物量和竹笋产量，表明根系呼吸增强；另一方面，覆盖处理下土壤微生物生物量碳和氮及真菌基因拷贝数的增加，进一步证实了其通过促进微生物代谢驱动CO₂排放 (图3)。在覆盖遗留期，移除覆盖物后土壤CO₂排放仍持续增加，但主导因素由土壤温度转变为土壤养分提升——氮磷富集通过增强微生物分解和根系活性，进一步推动了土壤CO₂排放 (图2–4)。在覆盖期及遗留期，不同覆盖时间对土壤CO₂通量的影响不显著，表明秸秆覆盖对土壤CO₂通量的作用与覆盖时间无关。

覆盖期间的CO₂通量显著高于覆盖遗留期，其差异机制可归因于生物活动与物质分解的阶段性特征。在覆盖期，竹笋快速生长显著刺激根系自养呼吸，同时覆盖材料的快速分解直接释放大量CO₂；而在覆盖遗留期，竹笋生长停滞，自养呼吸贡献减弱，且覆盖物减少及其分解作用降低，导致CO₂排放减弱。

图2 覆盖经营对毛竹林土壤CO₂通量、土壤温度和含水量的月变化 (a、c、e) 及平均值 (b、d、f) 的影响。Control：无秸秆覆盖；SM1：秸秆覆盖一年；SM3：连续三年秸秆覆盖。★表示2020年12月至2021年11月期间各处理之间的显著差异 (NS，不显著；★，p < 0.05；★★，p < 0.01和★★★，p < 0.001)。大写字母表示覆盖期 (SM) 各处理之间的显著差异 (p < 0.05)。小写字母表示在遗留效应期 (ESM) 各处理之间的显著差异 (p < 0.05)。*表示在相同的覆盖处理下，SM和ESM之间的显著差异 (NS，不显著；*，p < 0.05；**，p < 0.01和***，p < 0.001)。

图3 秸秆覆盖期 (a、b) 和遗留期 (c、d) 土壤呼吸与生物和非生物因素的关系。随机森林分析用于确定土壤微气候 (ST和SWC)、土壤性质 (TP、DOC、AN、AP和C/N) 和微生物因素 (MBC、MBN和FU) 在覆盖期 (b) 和遗留效应期 (d) 期间对Rs的相对重要性。ST，土壤温度；SWC，土壤含水量；DOC，溶解有机碳；AN，有效氮；TP，总磷；AP，有效磷；C/N，有机碳/总氮比；MBC，微生物生物量碳；MBN，微生物生物量氮；MBC/MBN，微生物生物量碳对微生物生物量氮的比值；FU，真菌基因丰度；BA，细菌基因丰度；F/B，真菌基因丰度与细菌基因丰度的比率。*，p < 0.05**；p < 0.01；***，p < 0.001。

图4 偏最小二乘路径模型分析生物和非生物因素对毛竹林土壤呼吸的影响。红色和蓝色分别表示正相关和负相关。实线和虚线分别表示影响显著和不显著的路径。箭头旁边的数字表示重要的标准化路径系数。箭头的宽度与路径系数成正比例。

· 结 论 ·

本研究揭示了湿润区秸秆覆盖在覆盖期及遗留效应期对毛竹林土壤CO₂排放的驱动机制。覆盖期内，秸秆覆盖通过提升土壤温度使CO₂通量显著增加；遗留效应期则通过提高土壤养分有效性维持CO₂排放增强。覆盖时长未改变秸秆覆盖对土壤呼吸的正向作用。基于秸秆覆盖对呼吸的正激发效应，建议减少覆盖材料用量及厚度，在保障生产力的同时降低碳排放，实现经济效益与碳汇潜力的双重优化。未来需进一步探究湿润/半湿润区其他生态系统 (尤其是农田) 中秸秆覆盖的碳调控效应，以提升该技术的区域适用性。

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