摘要
土壤固碳和水分调节在缓解气候变化、保障粮食安全和维持陆地生态系统功能等方面发挥着重要作用。随着全球人口持续增加，人们日益增长的粮食、肉类和乳制品需求加剧了自然植被向农业用地的转化。截至2019年，农业用地占全球无冰覆盖陆地面积的49%，其中草场和农田分别占37%和12%。由于适宜农地面积的限制、城镇化和工业发展，过去50年，农业用地呈显著集约化，主要表现为增加的灌溉、耕作、放牧以及机械化程度等。然而，土地利用方式的改变和集约化显著影响了土壤生态功能，特别是其固碳和水分调解功能。 截至目前，对土壤生态功能的研究主要集中于单一因素（即：土地利用方式或集约化管理），鲜有研究考虑多因素交互（即：土地利用方式×土壤类型×深度）对土壤生态功能的影响。因此，对不同土壤类型下土地利用方式和集约化如何影响土壤生态功能缺乏系统认识。这严重制约了以最佳方式管理和利用农业土壤以实现其功能最优化（如：保碳、保水和排水性），从而降低环境风险（如：极端天气、土壤侵蚀及水体污染）和实现生态服务可持续性。 本研究聚焦区域土壤生态功能性，以新西兰最大的农业区坎特伯雷平原为研究对象，基于长期土壤监测计划和成熟的土壤健康评价体系，以及理化分析和模型耦合，旨在研究不同土地利用方式驱动下多因素交互对土壤生态功能的影响。针对该区三种长期（gt;20年）土地利用方式，分析了土壤总有机碳储量、活性碳储量、土壤团聚性、有机碳组分、土壤保水性、导水性、斥水性等，具体探究了不同土壤类型下典型农业土地利用方式对水分和养分（碳、氮）在不同深度的交互作用及耦合机理。不同土地利用方式包括灌溉牧场、灌溉农田和旱地牧场。且每种土地利用方式涵盖三种排水性能明显不同的土壤类型：依次为排水良好、中等及不良的Lismore(LIS)、Templeton(TEM)和Waterton/Temuka(WAT)土壤。主要研究结果如下： （1）明确了不同土地利用方式对有机碳储量的影响受土壤水分性质调控：一般而言，0–50cm累积深度，土地利用方式显著（plt;0.05）影响土壤有机碳储量，其变化趋势呈灌溉牧场gt;旱地牧场gt;灌溉农田。研究发现，土地利用方式和土壤类型对土壤有机碳和热水提取有机碳（即：活性碳库）储量存在显著交互作用。与LIS和WAT土壤相比，TEM土壤中有机碳储量受土地利用方式变化的影响最小。在排水良好的LIS土壤中，灌溉牧场较旱地牧场总有机碳和热水提取有机碳储量增加最多。在排水不良的WAT土壤中，有机碳和热水提取有机碳储量随牧场转化为灌溉农田损失最多。而在排水中等的TEM土壤中，土地利用方式对热水提取有机碳的影响较总有机碳更为显著。同时，总有机碳和活性碳储量在三种土壤类型下对长期不同土地利用方式的差异性响应主要受土壤保水性（植物可利用水分含量对应总有机碳，田间持水量对应活性碳库）、小孔隙（lt;5μm）和导水性调控。具体而言，土壤保水性通过长期调控土壤水分可利用性影响净初级生产力（即：碳输入）；土壤小孔隙、导水性通过控制微生物的可达性和氧气的扩散共同影响有机碳分解对土地利用方式的响应。因此，制定以固碳为目的的土地管理方式时，应考虑土壤类型，特别是土壤水分特征的影响。 （2）明晰了不同土壤类型下土地利用方式对土壤团聚性、团聚体和颗粒物（粘粒、粉粒和砂粒）相关有机碳组分影响的控制机理：一般而言，土壤团聚性（即：直径gt;1mm水稳性团聚体的质量分数和几何平均直径）、所有团聚体、粘粒、粉粒和细砂粒相关有机碳浓度（gC100–1g团聚体/颗粒物）均遵循灌溉牧场gt;旱地牧场gt;灌溉农田的规律。土地利用方式与土壤类型对土壤团聚性和所有团聚体相关有机碳浓度存在显著交互作用，而对颗粒物相关有机碳无交互作用。LIS土壤中，土壤团聚性随旱地牧场转化为灌溉牧场和农田受益最多；而在WAT土壤中，土壤团聚性和与团聚体相关有机碳浓度随旱地牧场转化为灌溉农田降低最多；对比LIS和TEM土壤，WAT土壤中旱地牧场转化为灌溉牧场最大程度增加了团聚体相关有机碳浓度，但并未促进土壤进一步团聚。植物可利用水分含量通过影响有机碳的输入主要解释了土壤团聚性和团聚体相关有机碳在三种土壤类型下对土地利用方式的差异性响应。此外，有机碳性质（即：活性碳组分）和小孔隙含量（lt;5μm）分别进一步调控土壤团聚性和团聚体相关有机碳浓度。大团聚体（直径gt;1mm）有机碳含量在不同土壤类型下对土地利用方式的响应方式与总有机碳保持一致；然而，粘粒、粉粒和砂粒相关有机碳含量（gC100–1g土壤）均未出现类似的响应方式。这证实土壤团聚主要控制有机碳固定。且研究表明，矿物颗粒（直径lt;53μm）相关有机碳随土壤团聚主要控制有机碳固定。大团聚体内聚矿物颗粒相关有机碳含量解释了灌溉牧场和旱地牧场间总碳差异的81–133％，表明该组分可作为草地间总碳变化的诊断组分。该组分在LIS，TEM和WAT土壤下分别解释了旱地牧场与灌溉农田间总碳差异的-272%,-3%和76%，表明该组分的不稳定性随土壤排水性降低逐渐增强。这可能与部分矿物颗粒结合的有机碳受小孔隙保护有关。研究结果为土地利用方式和土壤类型交互影响土壤团聚和有机碳固定提供了新见解。 （３）辨识了不同土地利用方式和土壤类型对土壤保水性和导水性的交互影响以及有机碳的作用：相对于旱地牧场，灌溉牧场和农田下植物可利用水分含量和导水率显著降低。土地利用方式与土壤类型对植物可利用水分含量存在显著交互作用，而对导水率无交互作用。土壤容重、有机碳和粘粒含量解释植物可利用水分含量变化的50%，但对导水率的影响有限。土地利用方式，土壤类型，土壤深度等分类变量及他们与连续变量（即容重、有机碳和粘粒含量）的交互作用额外解释植物可利用水分变化的6–13％和导水率变化5–28％，表明土壤传递函数中引入分类变量可显著提高对植物可利用水分和导水率的预测。研究表明长期土地利用方式和农业集约化降低了大孔隙（gt;30μm）间的连通性，使大孔隙对于土壤保水性的贡献远大于其导水性。此外，研究表明-10kPa土壤基质势可准确反映旱地牧场和灌溉农田的田间持水量，-30kPa更适于集约化程度较高的灌溉牧场。有机碳累积主要贡献于-40kPa至-1500kPa下土壤含水量，即植物可利用水分含量的低势能区（等效直径：0.2–7.5μm）。因此，有机碳累积可能更益于缓解干旱环境下的水分胁迫。上述结果表明长期土地利用方式及其与土壤类型的交互作用，田间持水量对应土壤基质势，以及有机碳含量均会影响土壤水力性质，需在水文模型参数化过程中考虑。 （4）表征并模拟了田间有效土壤水分区间的斥水性：在三种土地利用方式下，三种土壤类型均具斥水性。最大斥水性介于6–1470s，平均56s。最大潜在斥水性呈灌溉牧场gt;旱地牧场gt;灌溉农田趋势。土地利用方式对斥水性的影响显著受土壤类型调控。即：旱地牧场转化为灌溉牧场和农田时，LIS土壤较TEM和WAT最大程度增加了土壤斥水性。土壤有机碳含量与大多数斥水性参数显著相关。在高有机碳土壤中，斥水性通常始于较低土壤水分含量，止于较高水分含量。最大斥水性集中于0.17–0.19cm3cm-3。土壤斥水性持续时间与有机碳含量呈显著正相关。当有机碳含量lt;20mgg-1，土壤均无斥水性，当有机碳含量gt;40mgg-1，土壤均具斥水性。建立具有物理意义三参数高斯模型，成功拟合土壤斥水性特征曲线（即：整个土壤水分区间的斥水性）。有机碳含量可预测模型参数和斥水性特征曲线。但该模型的广泛应用仍然需要在其他土壤类型，土地利用方式和气候条件下进行验证。未来研究应集中于疏水性有机碳组分对模型参数和其他水文性质的影响。 总体而言，研究发现不同土壤类型下，土壤固碳和水分调节对土地利用方式的响应具有显著差异性，而该响应直接决定了营养元素和水分循环等一系列土壤关键过程。研究结果可为农业集约化管理过程中有效增加土壤碳库、改善土壤保水和导水性、减少环境影响（如：土壤退化、温室气体排放、N淋溶）提供指导意义。鉴于我国当前正处于农业大发展的阶段，且目标效益导向为主导致系统的土壤研究和科学管理还比较欠缺，本研究也为我国未来农业的发展和土壤功能维持提供了关联科学数据，为未来实现以土壤生产力与土壤生态系统服务性最优化为目标的土壤健康评价提供了新思路。
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