ADEARTH

Advances in Earth Science >

2025 , Vol. 40 >Issue 6: 559 - 576

DOI: https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2025.046

Mechanism of Soil Improvement Affecting Soil Organic Carbon and Karst Processes: Implications for Carbon Sequestration

  • Weiyi HUANG , 1, 2, 3 ,
  • Fen HUANG , 2, 3 ,
  • Yincai XIE 2, 3 ,
  • Yongli GUO 2, 3 ,
  • Jianhua CAO 2, 3 ,
  • Chuanshun ZHI 4
Expand
  • 1. College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China
  • 2. Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences / Key Laboratory of Karst Dynamics, MNR & GZAR / International Research Center on Karst, under the Auspices of UNESCO, Guilin Guangxi 541004, China
  • 3. Pingguo Guangxi, Karst Ecosystem, National Observation and Research Station, Pingguo Guangxi 531406, China
  • 4. School of Water Conservancy and Environment, University of Jinan, Jinan 250022, China
HUANG Fen, research areas include karst environments and the carbon cycle within karst dynamic systems. E-mail:

Received date: 2025-03-18

  Revised date: 2025-05-23

  Online published: 2025-05-22

Supported by

the National Key Research and Development Program of China(2022YFF1300705)

The National Natural Science Foundation of China(42277077)

Fold

Abstract

Soil improvement plays a critical role in enhancing the soil carbon sink capacity and optimizing karst processes under global climate change. Using bibliometric methods, this study analyzed literature from Chinese and English journals (1990-2024), focusing on the regulatory mechanisms linking soil improvement to soil carbon cycling and karst carbon sinks. The Web of Science (WoS) and China National Knowledge Infrastructure (CNKI) databases indexed 712 and 468 relevant articles, respectively, most of them original research papers. Article numbers showing a fluctuating upward trend over the 34 years. This process can be divided into three phases: germination (before 2005), growth phase (2005-2013), and rapid development (after 2013). English-language journals published more articles than Chinese-language journals. The English-language literature initially focused on biochar carbon sequestration mechanisms and greenhouse gas emissions. Over time, the focus shifted towards the synergistic regulation of soil microbial functional genes and nitrogen-phosphorus nutrient cycling, reflecting a transition from mechanism-based analysis to application-oriented microbial-nutrient coupling. Chinese-language literature has expanded from monitoring basic indicators, such as soil respiration, moisture, and heavy metals, to systematic research on soil aggregate regulation, microbial community optimization, and improvement techniques. In addition, a Carbon-Pool Management Index (CPMI) is established to guide practical applications. In low-productivity karst regions, soil improvement efforts primarily assesses improvement measures on karst processes and the soil carbon balance. This study explored the bidirectional coupling relationship between karst carbon sinks and soil improvement. Specifically, high concentrations of soil CO2 drive carbonate rock weathering, whereas improvement measures enhance the carbon sink effect by improving soil quality. To advance soil improvement research in karst areas, it is recommended to establish a quantification method for measuring the increase in karst carbon sinks due to soil improvement and develop a database. Furthermore, considering the calcium-rich and alkaline characteristics of karst soils, the synergistic effects of improvement measures on ecological restoration and sustainable agricultural should be evaluated to provide scientific support for global carbon neutrality. By leveraging soil improvement technologies, we can enhance soil and karst carbon sinks, address climate change more effectively, promote the integration of ecological restoration and sustainable agricultural development in karst regions, and contribute to the achievement of China’s Dual Carbon Goals.

Key words： Soil improvement; Soil carbon cycle; Karst processes; Carbon sink effect; Bibliometrics.

Cite this article

Weiyi HUANG , Fen HUANG , Yincai XIE , Yongli GUO , Jianhua CAO , Chuanshun ZHI . Mechanism of Soil Improvement Affecting Soil Organic Carbon and Karst Processes: Implications for Carbon Sequestration[J]. Advances in Earth Science, 2025 , 40(6) : 559 -576 . DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.046

1 引 言

全球气候变化背景下，人类活动引发温室气体浓度激增，通过增强辐射加剧气候变暖。碳循环体系中，人为排放的部分碳通过海洋、植被及土壤吸收实现一定程度的碳汇平衡［1］。全球土壤碳库占陆地碳储量的2/3［2］，总储量为2 500~3 000 Pg C，是大气碳库的3倍、陆地植被碳库的4倍。其中冻土区储存1 600 Pg C（占全球总量50%以上），温带农田土壤储碳达140 Pg C，热带雨林土壤碳密度达12~15 kg/m2［3］。但长期不合理的种植和化肥过量施用导致大部分农田土壤处于退化状态，近百年全球农业开垦已损失约116 Pg土壤碳，退化土壤年释放1~5 Pg CO2-eq，相当于化石燃料排放量的10%~30%［3］。退化土壤呈现出土壤结构遭到破坏、有机质含量大幅降低等不良特征，通过土壤呼吸作用将土壤中的有机碳转化为CO2气体释放至大气中，转变为碳源。在气候问题逐渐严峻的当下，如何有效增强土壤的储碳能力，已然成为亟待解决的重要科学问题。合理的改良措施可恢复退化土壤质量、提升土壤肥力，增强其固碳能力，因此，土壤改良作为潜在的有效策略备受关注。
岩溶区土下岩溶作用通过水对可溶性岩石进行化学溶蚀［4］，发生过程中碳酸盐岩以水为媒介与大气及土壤中的CO2发生反应，形成岩溶碳汇，实现地上地下同时增汇［5］。由此看来，岩溶碳汇在全球碳库遗漏汇中扮演着极为重要的角色［6］。据估算，全球岩溶分布面积为2 200万km2，占陆地面积的15%，结合当前全球碳酸盐岩风化碳汇（Carbonate Weathering Carbon Sinks，CCSs）的量级范围，全球CCSs预估值［7］可达0.5~0.9 Pg C/a，为全球陆地植被碳汇总量（13.74 Pg C/a）的0.04~0.07倍，森林碳汇（1.1 Pg C/a）的0.45~0.82倍，相当于全球土壤碳汇通量的70%。且全球农田碳封存量［8］可达0.9~1.85 Pg C/a，可见土壤增汇与岩溶增汇共同作用所取得的成效更佳。《中国应对气候变化的政策与行动——2019年度报告》［9］中将“土壤改良”作为增加岩溶碳汇的方法之一纳入“增加碳汇”部分，说明人为干预的岩溶碳汇在实现应对气候变化和努力增加碳汇等目标中将发挥重要作用。岩溶区CO2以“大气—植物—土壤—水碳素转移”［10］这一特定路径进行转移，可见土壤作为碳环境地球化学界面对表生带岩溶作用具有驱动意义。鉴于此，岩溶区土壤改良通过优化表层岩溶带内的土壤环境，土壤环境动态变化影响土壤生物活动，进而影响岩溶作用发生环境［11］，对土壤碳循环进程及岩溶作用产生影响。
因此，探究岩溶区土壤改良对土壤碳循环及岩溶作用的影响具有至关重要的研究价值，可为岩溶区固碳增汇提供科学依据，推动全球气候变化应对策略发展。已有学者指出，适宜的土壤改良手段可恢复土壤健康及土壤内的有机碳水平，提升退化土壤的生产力与碳储存能力，从而增强土壤对极端气候的适应能力，缓解全球气候变化［12］。目前，土壤改良对土壤性质、碳循环及碳储存的影响，已成为国内外众多学者广泛研究的焦点领域。本文基于文献计量学研究，深入剖析土壤改良方面的研究热点，对未来发展趋势进行前瞻性探讨，同时，深入讨论对当前土壤改良的各类手段及其对土壤质量、全球碳循环及岩溶作用和碳汇效应的影响。

2 研究方法

2.1　数据来源

本文通过Web of Science（WoS）核心合集数据库和中国期刊全文数据库（CNKI）对1990—2024年发表的经过同行评议的原创性研究论文和综述论文进行检索。为确保文献质量，在WoS数据库中将主题词设为“土壤改良”（Soil Amendment）、“碳循环”（Carbon Cycle）、“碳贮存”（Carbon Storage）及“岩溶区”（Karst Area）等，文献发表时间设定为1990—2024年，文献类型设定为Article和Review，语种设定为English。进行去重处理后，共检索到712条符合条件的英文文献信息，并将其作为本文的外文（英文）初始样本。在CNKI数据库中，将主题词设定为“土壤改良”“土壤碳循环”“土壤呼吸”及“岩溶作用”等，文献发表时间设定为1990—2024年，搜索库为学术期刊，来源类别为核心期刊，进行去重处理后，共筛选得出468篇中文文献信息，将其作为本文的中文初始样本。

2.2　分析手段

本文将文献计量学与传统文献回顾法相结合，在科学检索及文献筛选的基础上，利用VOS viewer文献计量分析软件，通过关键词共现分析及研究主题演变分析，利用样本文献关键词绘制关键词网络图，对相关研究现状及热点进行系统全面梳理；运用Origin 2021对该研究领域整体发文趋势进行统计整理；并进一步对相关研究进展展开讨论。通过定量分析的手段，对农业土壤改良影响土壤碳循环及岩溶碳汇的研究现状、进展及热点进行分析。

3 文献计量学分析

3.1　土壤改良文献发表趋势

根据土壤改良相关文献的发表情况，土壤改良对碳循环影响的相关中英文文献发表趋势如图1所示，样本文献类型统计如表1所列。
图1 1990—2024年土壤改良领域年度发文量和发文趋势

Fig. 1 Annual publication output and evolving publication trends in the field of soil improvement from 1990 to 2024

表1 土壤改良对碳循环影响的相关中英文文献来源类型

Table 1 Types of sources for English and Chinese academic literature

文献类别 英文文献/篇 中文文献/篇
Article（研究论文） 634 439
Review（综述论文） 78 29
据统计，样本文献中文献类型多为研究论文，综述论文占比较低（中文文献样本占比约6%，英文文献样本约占10%）。可见在该领域，中英文文献均呈现出以原创性研究为主导的学科发展特征。对于该研究主题，英文期刊文献年发表量整体呈上升趋势，研究可大致分为3个阶段：第一阶段（2005年前）文献数量较少，年发文量仅个位数，土壤改良的研究尚处于萌芽阶段；第二阶段（2005—2013年）发文量开始呈缓步上升趋势，年度发文量逐年增加，年发文量少于20篇，处于增长期；第三阶段（2013年后）文献数量波动式上升，且上升幅度较大，处于快速发展期。与之相比，中文期刊的文献年发文量整体呈波动上升趋势，第一阶段（2007年前）：在土壤改良方面的研究尚处于萌芽阶段，中文期刊总体发文量较少，年发文量与英文期刊相近；第二阶段（2008—2013年）：随着对农田土壤质量的进一步关注，发文量短暂急速上升，但又出现剧烈下降的趋势，此时中文期刊的发文量短暂高于英文期刊；第三阶段（2013年后）：该阶段发文量开始波动上升，且不同年份发文量存在明显差异，在一定时段内出现发文小高峰，直至2024年整体呈积极上升趋势。
为进一步明确中文期刊与英文期刊在该领域的发文趋势差异，分别对中文期刊和英文期刊的发文量进行线性拟合，所得结果表明随着国际对碳中和问题的密切关注及中国“双碳”目标的提出，该领域的文献发表量总体呈上升趋势。2010年前，中文期刊和英文期刊发文量相近，涨幅较小；2010年后，英文期刊的发文量急剧上升，中文期刊发文量则涨幅较小。说明2010年后，随着对土壤储碳能力关注度的提高，更多学者开始投入到土壤改良领域的研究中，且英文期刊所涵括的内容及研究区域更广，国际交流愈发紧密。

3.2 关键词

3.2.1　领域研究热点

关键词是对论文主要研究内容的高度概括，不同阶段的关键词词频能够在一定程度上反映当前土壤改良领域的主要内容和大致研究方向。本文通过VOS viewer软件对中英文文献中土壤改良研究相关的关键词进行共现可视化分析。为更清晰地明确关键词的共现关系，将关键词阈值设置为5，可视化结果如图2和图3所示。图2中节点大小代表关键词出现频率（半径随频次升高而增大），节点间连线表示共现频率（线条尺寸与共现频率呈正相关），各聚类（以颜色区分）可大致体现土壤改良领域研究的热点。
图2 有关土壤改良研究的英文文献中出现5次以上关键词的共现网络图

Fig. 2 Visualization of the co-occurrence network for keywords appearing with a frequency of five or more in English literature

图3 有关土壤改良研究的中文文献中出现5次以上关键词的共现网络图

Fig. 3 Visualization of the co-occurrence network for keywords appearing with a frequency of five or more in Chinese literature

根据聚类分析结果，英文文献中土壤改良研究关键词被划分为4个部分：
第一部分（红色区域）主要由33个关键词构成，包括“Biochar”“Black Carbon”“Agriculture Soil”“Greenhouse-gas Emission”等，主要研究生态土壤改良剂对碳排放的影响机制，关注生物炭等改良剂固碳潜力及对土壤温室气体（主要为CO2和N2O）排放通量的影响，还探讨黑碳以生物炭形式回归土壤对农田生命周期的影响。第二部分（绿色区域）主要由27个关键词组成，包括“Bacterial”“Enzyme Activity”“Denitrification”“Long-term Fertilization”等，着重关注土壤改良对土壤细菌群、微生物及酶活性的影响，对长期施肥土壤中的微生物特征也有提及，还涉及硝化、反硝化作用及植物的根际反应，推测该部分关键词与氮肥在土壤改良中产生的影响有关。第三部分（蓝色区域）主要由19个关键词构成，包括“Amendment”“Compost”“Fertilizer”“Manure”“Phosphorus”“Nutrient Cycling”等，以土壤改良的措施及效果为主要研究对象，涉及堆肥、秸秆还田及有机改良等措施，并对改良后土壤中氮、磷元素变化及对土壤营养元素的影响机制进行研究。第四部分（黄色区域）所含关键词数量较少，仅有11个，包括“Decomposition”“Deposition” “Mineralization”等，是其他3个部分的拓展研究，主要是针对改良后土壤的碳贮存、改良剂沉积及呼吸作用进行的进一步研究。
同样将关键词出现频次限定为5次及以上，通过关键词共现图可将该领域中文文献的研究热点划分为6个部分（图3），分别代表土壤改良对碳循环的影响这一研究领域的不同侧重点。
第一部分（蓝绿色区域）关键词包括“喀斯特”“长期施肥”“土壤水分”及“土壤呼吸”等，着重研究岩溶区低产土壤的改良手段；岩溶区低产土壤的改良手段，以土壤CO2排放量、水分及温度等为指征，探究岩溶地区低产土壤的矿化作用及水土流失问题，评估改良效果。第二部分（紫色区域）引入“碳库管理指数（Carbon Pool Management Index，CPMI）”，利用该指标评估土壤改良效果，其上升说明改良型耕作对土壤有培肥作用，土壤性能向良性发展。同时关注土壤CO2排放及土壤碳平衡问题，重点在于土壤改良对土壤碳储存的影响。第三部分（绿色区域）关键词主要为“土壤微生物”“土壤酶活性”“生物质炭”及“土壤养分”等，聚焦研究土壤微生物在改良中的作用，通过施加生物炭等改良剂改善土壤微生物群落、提升土壤有机质含量及土壤养分等，监测土壤理化性质以确定最佳土壤改良方案。第四部分（红色区域）研究覆盖面较广，从土壤“理化性质”“微生物”“有机质特征”“作物产量”和“养分”等方面评估“酸性土壤”的改良效果，包括石灰等土壤调理剂的作用及生物有机肥、秸秆还田等生态改良手段对农田土壤肥力的影响，重点讨论生态改良方式对低产农田土壤肥力的促进效果。第五部分（黄色区域）主要研究土壤团聚体对土壤成分的影响，“有机碳”和“施肥”是关注重点，其次是“全氮”和“团聚体”含量，通过监测土壤有机碳储量与土壤团聚体尺寸间的关系，探讨改善土壤团聚体能否增加土壤碳储量。第六部分（蓝色区域）关注盐碱地改良和土壤重金属问题，评估脱硫石膏在盐碱土中的改良效果及是否会加剧土壤重金属问题，土壤重金属超标影响作物及人类健康，控制其含量是农田土壤改良研究的热点之一。

3.2.2　关键词发展历程

关键词时间演变图能大致反映出不同时段对土壤改良领域的主要内容与研究方向，有助于梳理研究历程。本文运用VOS viewer分析中英文期刊文献的关键词，以表现该研究领域的发展趋势。图4和图5中节点代表关键词（半径示频率），连线表示关键词的相关程度，颜色对应发表时间。
图4 英文文献土壤改良主要关键词时间演变趋势

Fig. 4 The temporal evolution and trend analysis of key terms associated with soil improvement in English literature

图5 中文文献土壤改良主要关键词时间演变趋势

Fig. 5 The temporal evolution and trend analysis of key terms associated with soil improvement in Chinese literature

英文文献（图4）2018年前集中于第一和第四部分（关键词如“Mineralization”“Land Use”“Black Carbon”等），聚焦生物炭等生态改良剂对农田土壤固碳潜力及温室气体（CO2和N₂O）的排放通量影响机制；2019年后转向第二和第三部分（关键词如“Bacterial Communities”“Functional Genes”“Yield”等），系统研究土壤微生物群落（细菌丰度、酶活性）与氮、磷等营养元素循环的耦合关系，研究重心从“碳减排机制解析”转向“微生物—养分协同增效”的应用型研究。中文文献（图5）早期研究集中于“土壤呼吸”“土壤水分”“土壤肥力”“重金属”等指标，近5年转向土壤生态改良方式，关注土壤团聚体、微生物和有机质等与土壤肥力相关的指标及土壤有机碳储量变化，同时对生物炭等土壤改良手段进行研究；部分学者尝试使用碳库管理指数评价农田土壤的改良效果，或结合统计学知识为土壤改良方案选择提供建议。

4 研究进展及讨论

4.1　土壤改良手段

由于当前全球种植方式不合理（如过度使用化肥、农药）等不当行为，导致农田土壤退化问题广泛存在［13］，继而引发土壤碳流失和营养匮乏等一系列问题，农业系统的生产力与可持续性受到威胁［14］，农田土壤改良迫在眉睫。农田土壤改良工作主要围绕提升土壤质量、合理使用改良剂、改善土壤温室气体排放及降低土壤中重金属生物利用率4个方面展开。土壤改良手段包括施用土壤改良剂、秸秆还田及作物合理轮作等［15］，通过调控碳氮比和改善土壤理化性质等方式修复退化土壤。
有机土壤改良剂在农田土壤改良中运用广泛。其中，堆肥因生产成本及使用门槛低，且能减缓因过度施用化肥导致的环境问题，被广泛运用于农田土壤改良。Jeong等［16］研究显示，施用堆肥可使水稻产量显著提高12%~17%，同时降低水稻生产中产生的CH4排放。但由于其结构及组成，堆肥中的养分释放速率较快，无法长期供肥。且生产过程中会释放气态污染物，具有污染环境的风险［17］，生物炭与其联用可以有效改善这一系列负面影响［18］。生物炭因其具有较强的吸附力，是目前使用广泛的改良剂。其可作为缓释肥料，改善化肥释放速率，促进种子萌发、植物生长及提高作物产量［19］。Yao等［20］发现在沙质土壤中生物炭可吸附3.7%的硝酸盐、15.7%的铵和3.1%的磷酸盐。Zhou等［21］指出岩溶土壤中碳、氮和磷含量与生物炭添加量呈正相关关系。Tang等［22］通过烟草对比试验发现，生物炭可提高作物生产力、土壤有机质、总氮、有效磷和有效钾含量，但总硫含量降低。其效果与热解温度、土壤/植物类型［23］及施用量［24］密切相关。如Xu等［25］通过Meta分析发现，生物炭在酸性土壤中导致的作物产量增幅高于碱性土壤。但生物炭也存在抑制土壤中蚯蚓生长［26］和促进杂草生长［27］等问题。因此，需通过小范围试验为特定土壤选取最佳方案，这一举措能最大限度地提高土壤生产力，尽量减少环境影响。
另一种改良手段——保护性耕作，能有效减轻土壤侵蚀、增加土壤肥力、提高保墒抗旱能力及生态经济效益［28］。秸秆还田作为其重要方式，能最大化地实现农业废料资源化并提高土壤质量。我国秸秆总产量居世界首位（农用秸秆年生产力超过6.10×1010 t），且需避免焚烧污染，因此秸秆还田被广泛推广［29］。我国秸秆还田的应用范围较广，但还田效果受气候条件、还田量、施肥方案及种植系统等影响较大［30］。秸秆分解可分为快速分解期（0~33天）、缓慢分解期（33~93天）及停滞期（93~120天）3个阶段［31］，停滞期常发生于气温较低的时段，每阶段时长因秸秆种类及土壤类型而异。Liu等［32］模拟江苏省秸秆还田方案发现，还田比例达40%~100%时，田间温室气体排放量增加34.5%~68.0%，造成温室气体排放量增加。上述研究表明，秸秆还田效果与秸秆种类、改良时间及土壤条件等因素息息相关，过度还田反而会产生负面影响。
土壤改良需平衡固碳、生产力、经济成本与环境效应的协同关系。实验证明［33］，有机肥替代氮肥可提高玉米（替代率达31.06%时产量增幅3.31%）和水稻（替代率达26.52%时产量增幅3.32%）的产量。然而，从供应链角度来说，推广有机肥的经济成本投入较高，会带来一定的经济压力［34］。Jokubė等［35］发现虽然生物炭改良成效显著，但其生产和耕作成本较高，限制了大规模应用，需结合碳交易机制才能实现经济可行性。相关研究进一步指出［36］，基于数字农业的精准土壤改良方案（如物联网传感器监测土壤养分）可有效预测肥料施用量，减少因改良方式不当而导致的浪费，经济与环境效益协同提升。在环境协同性方面，过量施用氮肥辅助改良可能导致活性氮流失风险［37］，引发水体富营养化［38］。经对比研究［39］，发现豆科绿肥轮作模式通过生物固氮作用，可在减少40%化肥用量的前提下维持同等生产力。

4.2　土壤改良对土壤质量的影响

土壤健康是指土壤作为一个生态系统发挥作用的能力，健康的土壤对于维持作物生产力、环境质量及植物、动物和人类的健康都具有至关重要的作用［40］。土壤健康与否可以通过对土壤性质及相关生物指标进行多方面评估［41］。土壤改良对土壤质量的影响主要体现在土壤肥力［42］、土壤结构［43］、微生物多样性［44］、作物产量［45］及植物养分含量［46］等方面。常见改良手段对土壤产生的影响如图6所示。作为运用较为广泛的方法之一，有机改良剂通过改善土壤结构、增强土壤保肥保水能力及土壤中微生物活性为作物提供更好的生长条件［47］。同时，有机改良剂在作物生长过程中缓慢分解与释放［48］，将其所含的多种微量元素持续供应给作物，以提高作物产量［1］。Li等［49］对中国旱地双季作物地区近40年的施肥试验进行统计，发现有机改良管理实践显著提高了该地区的土壤质量指数（17.6%~26.3%）和作物产量（6.0%~9.0%）。说明与单施化肥相比，化肥与有机改良剂并施可显著提高作物产量和土壤质量。目前生物炭是较热门的有机改良剂，其疏松的多孔结构和较强的吸附能力使其可通过吸附作用去除土壤中的重金属［50］、有毒元素及有机污染物［51］。Jones等［52］评估了生物炭对三嗪类除草剂污染土壤的长期影响，发现三嗪类除草剂被强吸附于生物炭微孔中，抑制了其生物降解及浸出。此外，生物炭含多种植物必需的营养物质，可作为养分来源，减少养分流动性及可用性，改变土壤养分循环与反应［53］，进而影响养分相互作用；其高吸附能力还可吸附土壤中的钾、氮、有机质和磷［54］。Karimi等［55］的研究表明，石灰质土壤中施用生物炭（BC200）可刺激无机氮生成，增加有效铁（Fe）、铜（Cu）和锌（Zn）含量。此外，生物炭还可通过影响土壤微生物间接改善土壤质量。土壤微生物在土壤有机质矿化、腐殖化以及养分转化中起着关键作用［56］。研究数据表明［57］，施用生物炭可直接影响土壤理化性质（如pH、容重、孔隙度及有机碳含量），间接影响微生物适应性和繁殖率等相关性质。这一过程可以加速生物地球化学过程，增强微生物生态位，在重塑土壤微生物多样性方面具有巨大潜力［58］。
图6 常见土壤改良手段对土壤质量和有机碳的影响模式

Fig. 6 The impact patterns of conventional soil improvement practices on soil quality and organic carbon content

秸秆还田是提高土壤质量和作物产量的关键改良手段之一，可将作物秸秆中的有机碳回收到土壤中［59］。Liu等［60］对全球806个不同耕地类型的实验数据进行统计分析后发现，秸秆还田能显著提升各土层中的土壤碳储量，对表层土壤的提升效果尤为明显，同时表层土壤中氮和磷储量也显著增加。秸秆中的碳先经过微生物矿化转化为不稳定的有机碳，进而通过腐殖化形成腐殖质碳［61］。评估腐殖质还田的对照实验证明，水稻和玉米秸秆配施化肥在40 ℃的土壤中孵育可使土壤有机质含量增加3%，较无处理土壤提高3倍［31］。不同种类的秸秆特性［62］各异，采取不同的还田方式［63］可使还田效果更大化。Hua等［64］对比玉米秸秆还田机制，发现深沟还田模式可显著提高土壤总氮（Total Nitrogen，TN）、硝酸盐氮（NO 3 --N）、铵态氮（NH 4 +-N）、地下土壤（15~30 cm）中的溶解有机氮（Dissolved Organic Nitrogen，DON）及溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）含量，降低土壤N2O排放量，但CO2排放量略有升高。生物炭［65］、有机肥［66］及化肥［67］等改良手段均能促进秸秆分解与养分矿化，秸秆的使用可有效改善土壤质量，具有显著生态效益。

4.3　土壤改良对土壤有机碳的影响

土壤碳多以有机碳形式贮存，因此其含量能反映区域土壤碳储量的变化。与自然土壤相比，农田土壤受人为干扰更强［68］，在全球土壤碳库中表现最为活跃。受自然因素及农业管理措施的综合影响，农田碳库含量［69］持续变化。经IPCC估算［70］，通过适当的农业管理措施，土壤碳库每年能提高0.4~0.9 Pg C，若持续50年，土壤碳库积累量将高达24~43 Pg C。黄耀等［71］综合分析相关研究认为，20世纪末至21世纪初，53%~59%的中国大陆农田土壤中有机碳含量呈增长趋势，30%~31%呈下降趋势，4%~6%基本持平；进一步估算显示，中国大陆农田表土有机碳贮量总体增加311.3~401.4 Tg。杨帆等［72］利用2005—2014年测土配方施肥项目数据对我国大面积土壤改良后农田土壤的有机质含量进行调查，发现改良后全国耕层土壤有机质较前期提高4.85 g/kg（增幅24.49%）；秸秆还田、少（免）耕及堆肥和施用绿肥等改良手段增加了有机养分投入，导致有机质含量上升。
潘根兴等［73］指出，干旱环境不利于土壤有机碳的储存和保持，因此保持土壤湿度及养分对于土壤有机碳稳定储存具有积极意义。杨景成等［74］认为，合理的保护性农田管理措施能有效减少农田生态系统的碳损失，稳定甚至增加土壤碳贮量。金琳等［70］指出，农田管理措施可显著提高土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量；不同改良手段导致SOC年增长速率由高到低依次为：配施［0.889 t C/（hm2·a）］>免耕［0.765 t C/（hm2·a）］>秸秆还田［0.597 t C/（hm2·a）］>有机肥［0.545 t C/（hm2·a）］>化肥［0.129 t C/（hm2·a）］。尹云锋等［75］对华北平原潮土进行有机肥施用对比研究，发现全施用有机肥后，旱地土壤有机碳含量增加12 066 kg/hm2，且呼吸活性降低，有效促进潮土碳固定。Yadav等［76］通过对比实验发现，有机肥替代化肥可使SOC含量提高20%~50%。综上所述，土壤改良通过改善土壤性质、提高土壤湿度及优化土壤结构等途径，增强土壤有机碳含量，提升退化土壤的碳储存能力，促进农田土壤有机碳储量回升。不同土壤改良方案对土壤有机碳含量造成的具体影响如表2所列。
表2 土壤改良对土壤有机碳含量影响

Table 2 Effects of soil improvement on Soil Organic Carbon （SOC） content

改良方案 有机碳含量 研究结论 参考文献
生物炭0 mg/hm2（0~15 cm） 43.975 mg/kg（DOC） 生物炭的长期添加显著提高了土壤中有机碳含量，土壤DOC的增量与生物炭添加量成正比 ［77］
生物炭0 mg/hm2（15~30 cm） 48.945 mg/kg（DOC）
生物炭30 mg/hm2（0~15 cm） 47.289 mg/kg（DOC）
生物炭30 mg/hm2（15~30 cm） 48.795 mg/kg（DOC）
生物炭60 mg/hm2（0~15 cm） 50.904 mg/kg（DOC）
生物炭60 mg/hm2（15~30 cm） 53.313 mg/kg（DOC）
生物炭90 mg/hm2（0~15 cm） 51.506 mg/kg（DOC）
生物炭90 mg/hm2（15~30 cm） 56.024 mg/kg（DOC）
未施肥对照 3 770 mg/kg（SOC） 15年的对比实验证明，化肥和有机肥的施用均可提高潮土有机碳含量，且有机肥对土壤有机碳提高效果更佳 ［75］
NPK无机肥 5 280 mg/kg（SOC）
1/2有机肥 6 630 mg/kg（SOC）
全有机肥 8 100 mg/kg（SOC）
未施肥对照 11.4 mg C/hm2（SOC） 实验证明堆肥能够有效提高SOC含量，秸秆还田对SOC含量影响较小 ［76］
NPK无机肥 15.9 mg C/hm2（SOC）
N-堆肥 23.7 mg C/hm2（SOC）
1/2无机肥+1/2N-堆肥 23.5 mg C/hm2（SOC）
无机肥+秸秆 16.6 mg C/hm2（SOC）
N-堆肥+秸秆 19.5 mg C/hm2（SOC）
未施肥对照

2 730 mg/kg（SOC）

51.06 mg/kg（DOC）

 生物炭的长期添加显著提高了土壤中SOC含量，但无机碳与玉米秸秆的改良方案积累的含量最高 ［78］
无机肥

3 940 mg/kg（SOC）

70.21 mg/kg（DOC）

无机肥+玉米秸秆

5 910 mg/kg（SOC）

118.09 mg/kg（DOC）

无机肥+秸秆生物炭

8 030 mg/kg（SOC）

75.53 mg/kg（DOC）

注：DOC（Dissolved Organic Carbon）：溶解有机碳。

4.4　土壤改良对土壤碳储存和碳排放的影响

土壤作为陆地生态系统的核心，连接大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。其碳含量可达植被碳库的2~3倍，全球大气碳库的2倍，是陆地生态系统中最大的碳库［79］。土壤固碳可长期储存大量碳，约抵消每年10%的温室气体排放［80］。温带森林与农业土壤可能是大气CO2浓度的主要调节者，改良贫有机碳土壤对于陆地生态系统碳汇恢复意义重大［81］。土壤有机碳库的平衡由输入和输出两个方面共同决定——前者主要输入的是生物质，并经过微生物作用形成土壤有机质；后者通过土壤呼吸作用向大气排放CO2 ［82］。退化土壤会加剧土壤呼吸作用，而土壤改良通过增强固碳能力，刺激植物生长，进而提高土壤微生物活性，抑制土壤碳分解，避免其向大气中释放［83］。可见土壤改良对土壤质量的改善能储存更多的温室气体，提高全球碳循环强度。人类活动通过植物生长、凋落物产生和氮输入3条途径增加土壤碳输入，实现碳固存。Chen等［84］基于预测模型发现，人为干扰对土壤环境和土壤有机物含量存在负面影响。Yu等［85］将土壤人为酸化发现，当pH=3.5时，土壤中SOC积累量最大（0~10 cm达41.55 mg/g，10~20 cm达29.60 mg/g），较未处理土壤提高约50%，能有效固碳。土壤碳储存能力还与其结构相关，粗质或粗耕土壤中团聚体的储碳能力弱于健康的细质或原生态土壤［86］。Wang等［87］测试生物炭对2种不同类型土壤的作用效果发现，软木基生物炭使细粉砂土土壤平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）增加217%，团聚体碳平均达6.85 g C/（kg·whole soil）；但粗壤土土壤MWD仅增加46%，团聚体碳仅2.1 g C/（kg·whole soil）。由此看来，土壤质量是土壤碳循环发生的决定性因素，土壤改良通过改善土壤理化性质，提高土壤质量，增强土壤的碳储存能力，抑制土壤呼吸，从而提升土壤碳库稳定性。
农田常年翻耕及氮/磷肥的投入为异养微生物提供适宜的环境，加速有机质及秸秆分解，显著提高土壤呼吸速率［82］。曹湛波等［88］针对不同类型秸秆的试验发现，秸秆还田虽提升土壤肥力，但土壤酶活性也随之提高，其中脱氢酶过分活跃会加快土壤呼吸；而黄豆秸秆由于难以被微生物降解，故可在低土壤呼吸［10.46 μmol/（m2·s）］的同时积累较多有机碳（增加量达2.68 g/kg）。Fang等［89］在岩溶区石灰土的生物炭对比试验显示，生物炭处理组的土壤CO2通量较对照组提高20.1%~87.0%，且CH4吸收量显著增加（64 t/hm2处理提高33.2%，128 t/hm2处理提高80.1%）。说明生物炭可促进CH4吸收，从而通过固碳，而非抑制土壤碳矿化的方式实现对碳的储存。

4.5　土壤改良对岩溶作用及其碳汇效应的影响

自然状态下，岩溶区石灰土土层较薄，但有机质含量和土壤肥力水平较高，团粒结构良好；但人类活动会导致其有机质下降，破坏团粒结构，此时黏粒充填土壤缝隙导致土壤有效水分降低、水土流失［90］。因此，虽岩溶区与非岩溶区土壤改良影响机制相同，但侧重点不同：非岩溶区的土壤改良更多关注改良措施对土壤性质及作物生长造成的影响；而岩溶区的土壤改良重点不仅在于保持和提高石灰土的有机质含量，还需关注改良措施通过改善上层土壤性质，进一步作用于土—岩界面及基岩溶蚀过程，从而促进岩溶作用发生的完整过程。

4.5.1　土壤改良加速岩溶作用

岩溶生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，表层岩溶系统的碳循环主要由“碳酸盐岩—水—CO2（气）”三部分构成，相关化学反应可表示为［91］：
C a x M g ( 1 - x ) C O 3 + H 2 O + C O 2 ( g ) ⇔ x C a 2 + + ( 1 - x ) M g 2 + + 2 H C O 3 -
由此可见，水和CO2驱动碳酸盐岩溶解，是岩溶碳循环的核心。我国西南石漠化耕地超过4万km2，60%以上为低产土壤，呈现钙镁元素含量高和微量元素有效态含量低的特点，制约着脆弱的岩溶生态系统和区域经济发展［92］。土壤改良通过改善土壤环境优化岩溶作用发生环境：土壤内部高浓度CO2促进岩溶作用的发生，同时碳酸盐岩通过溶蚀作用消耗土壤中富集的CO2，从而减少因土壤呼吸而产生的CO2排放。曹建华等［93］的观测显示，岩溶区石灰土呼吸速率［23.12~271.26 mg C/（m2·h）］明显低于碎屑岩区红壤［51.60~326.28 mg C/（m2·h）］，其年平均值较非岩溶区低25.12%。潘根兴等［11］提出表层岩溶系统碳转移模型，认为土壤是表层岩溶系统碳转移与碳循环的重要媒介，表层岩溶作用实质上是以土壤为媒介的表层生态系统过程。综上所述，土壤改良改善表层土壤性质，增加土壤中CO2含量，进而促进底层岩溶作用发生，能有效利用岩溶地区优势，发挥岩溶碳汇优势。与非岩溶地区相比，岩溶地区的石灰土能够积累更多的有机碳，但营养成分的供给速率较低。罗为群等［94］利用常规有机肥改良岩溶区石灰土，降低了土壤pH和钙镁含量，极大地改善了土壤的物化性质，并增强土壤溶蚀能力，岩溶作用强度与土壤改良效果呈正相关，其中“玉米秸秆+黄豆秸秆+农家肥”方案效果最佳。Wu等［95］的田间改良实验表明，“滤泥+秸秆+沼气渣”方案可有效增加岩溶区土壤CO2积累量，进而促进岩溶作用的发生。
碳酸盐岩风化驱动的岩溶碳汇效应与土壤改良存在双向耦合关系。碳酸盐岩主要通过土壤圈与生物圈、水圈和大气圈进行多界面能量物质交换，其风化过程既受控于土壤环境又深刻影响着全球碳循环。近年来，基于硅酸盐岩粉施用的增强风化固碳方案（Enhanced Rock Weathering， ERW）为岩溶区碳汇优化提供了新思路。英国Beerling等［96］的研究表明，玄武岩粉施入农田后可与土壤碳酸（CO2+H2O）反应生成溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon，DIC），通过地表径流输送至海洋实现长期封存（>104年）。北美玉米带案例［97］表明，年施10~50 t/hm2玄武岩可额外封存0.2~1.1 Pg CO2，若施用量为10~30 t/（hm2·a），改良的2/3高产农田土壤（9×108 hm2）可能会在2100 年之前固定0.5~4.0 Pg CO2/a［98］。但岩溶区土壤—岩石系统中碳酸盐溶解已达平衡，输入硅酸盐粉末后可能会产生混合溶蚀，进一步优化碳汇效率，但该方法对岩溶土壤的适用性仍需系统验证。
综合目前研究成果，碳酸盐岩主要通过土壤圈与生物圈、水圈、大气圈积极地进行能量交换，参与全球碳循环与碳转移。土壤CO2成为岩溶作用发生的驱动力，使土壤成为表层岩溶系统中最活跃的部位，积极响应全球碳循环，土壤有机碳的稳定性及有机质的保持对岩溶作用的发生及全球碳循环产生重要影响。最终，可以将岩溶区土壤改良对岩溶作用的影响总结为5个方面，从表层土壤开始影响岩溶作用的速率（图7）。
图7 岩溶区土壤改良影响岩溶作用模式图

岩溶区土壤改良影响包括：①促进作物生长，并降低因土壤呼吸而产生的CO2排放量；②土壤团聚体间间隙增大，有助于土壤中水、肥、气的协调与贮存；③提高土壤中有效营养元素含量，进一步增强岩溶区土壤碳储量及土中微生物活性；④加速土壤矿化作用，提升作物根呼吸及土中微生物呼吸速率，使土壤CO2浓度上升；⑤基于表层土壤中CO2浓度的提高，土—岩界面及基岩处发生的岩溶作用反应速率加快，提高了地下水中钙镁离子和溶解无机碳的含量。

Fig. 7 Schematic diagram of the impact of soil improvement practices in karst regions on karstification dynamics

The effects of soil improvement in karst regions encompass the following aspects： ① Enhancing crop growth while mitigating CO2 emissions from soil respiration； ② Expanding inter-aggregate pore spaces， thereby facilitating the balance and retention of water， nutrients， and air within the soil matrix； ③ Elevating the concentration of bioavailable nutrients， which further augments soil carbon sequestration capacity and microbial activity in karst soils； ④ Accelerating soil mineralization processes， leading to increased root respiration rates in crops and heightened microbial respiration， consequently elevating soil CO2 concentrations； ⑤ With the rise in CO2 levels in surface soils， the rate of karstification reactions at the soil-rock interface and within bedrock is expedited， resulting in elevated concentrations of calcium and magnesium ions as well as dissolved inorganic carbon in groundwater.

4.5.2　土壤改良对岩溶碳汇效应的影响

岩溶区碳循环［99］的物质基础为碳酸盐岩，前端受气候条件和生态状况驱动，后端表现为岩溶水体中无机碳的迁移和转化。由此，估算岩溶区碳汇的方法主要分为3类：一是以碳酸盐岩为对象，包括纯碳酸盐岩标准溶蚀试片法［100］、澳大利亚产的微侵蚀计法［101］（Micro-Erosion Meter， MEM）、法国科学家建立的GEM-CO2模型［102］（F C O 2=aQ）及德国科学家提出的水—岩相互作用扩散边界层算法［103］（Diffusion Boundary Layer，DBL）。二是以后端结果影响条件为对象的水化学—径流法［104］，通过岩溶水体中来源于碳酸盐岩风化溶解的离子浓度和水流量计算。三是以前端影响因素为对象的算法［105］，利用碳酸盐岩溶蚀量与降雨量、径流等影响因素的线性关系统计。以上算法各有优劣，所得结果差异较大，如贵州省普定县后寨河流域的监测数据［106］显示，水化学方法估算的碳酸盐岩溶蚀量是试片法的6倍。
诸多实验证明，化肥减量配施有机改良剂对岩溶碳汇具有增效机制。冯婷［107］在广西果化开展的岩溶区土壤改良试验表明，施用有机肥可显著改善土壤理化性质及生态系统功能，改良区地上生物量达对照组的2.85倍（增幅185%），经济作物增产效果显著，其中火龙果增产27.64%，花生增产37.73%；土壤剖面分析显示，10~20 cm土层有机质含量提升，土壤根系及土壤内生物活性增强，使试验区土壤CO2浓度提升，据推算，若将该方法推广至果化示范区内所有耕地（66.41 hm2），可增汇2.75 t CO2/a。桂林石灰土盆栽试验也表明［108］，农家肥（猪粪）、有机肥和生物炭均能显著促进岩溶碳汇过程，其中农家肥组表现出最优增汇效果，其岩溶碳汇强度可达60.67 t CO2/（km2·a），较商品有机肥和生物炭处理分别提升2%和10%。梯度实验显示：农家肥（3 375 kg/hm2）、有机肥配施（化肥375 kg/hm2+有机肥243.75 kg/hm2）和生物炭配施（化肥375 kg/hm2+生物炭562.5 kg/hm2）分别可实现22%、17%和17%的岩溶碳汇提升。大田对比实验［109］则发现化肥减量配施有机改良剂较单施化肥可提高14%的岩溶碳汇量，二者岩溶碳汇量分别为15.13 t CO2/（km2·a）和13.30 t CO2/（km2·a）。
适当施无机肥能够加快碳酸盐岩溶蚀，促进岩溶作用的正向进行。黄芬［110］的研究证明，施肥可显著提高石灰土中的CO2浓度——当氮肥施用量为100 kg N/（hm2·a）、250 kg N/（hm2·a）、450 kg N/（hm2·a）和700 kg N/（hm2·a）时，CO2浓度较对照分别提升10.5%、23.3%、45.7%和30.6%；同时，土下碳酸盐岩的溶蚀速率最高可提高3.6倍。采用秸秆还田、滤泥和沼渣等方法也能增强岩溶碳汇效应强度［111］，研究结果表明，滤泥配施秸秆和沼液导致CO2年均净消耗量增加0.065 mmol/L。但需注意，过量氮产生的硝化作用会对碳汇强度产生负面影响。盆栽实验证明［112］，土壤CaCO3及碱性阳离子随氮处理的增加而稳步下降，反之土壤淋溶液中NO 3 -、Ca2+和Mg2+的浓度逐渐增加。在少量氮肥［100 kg N/（hm2·a）］施入背景下，由硝化作用产生的HNO3可被阳离子交换缓冲，此时CaCO3溶解全部来自土壤CO2；当氮肥施入量提高至250~700 kg N/（hm2·a）时，HNO3中55%的H+被阳离子交换缓冲，余下45%直接作用于CaCO3，此过程不消耗大气或土壤CO2，甚至可能成为碳源。由此可见，在施入少量氮肥时，植物充分吸收氮素，刺激微生物呼吸和有机质矿化，以增加土壤CO2进行土壤碳酸钙和基岩的溶蚀为主，增强了岩溶区碳汇效应强度。因此，岩溶区土壤改良过程中不仅要达成碳汇目标，还需关注硝化反应对岩溶区碳汇效应产生的影响，必要时可引入硝化抑制剂以降低硝化速度［113］，使肥力更持久，但其对岩溶碳汇强度的影响仍待评估。此外，岩溶区土壤具有富钙偏碱的特点，石灰土中高钙离子可与有机酸反应生成有机质，增加碳库稳定性，降低矿化速率。赵宽等［114］提出，根系分泌的有机酸对喀斯特植物和土壤碳汇具有积极影响。目前，岩溶区植物碳酸酐酶和植物根系分泌物对促进岩溶作用的研究日益增多，土壤改良对相关酶及有机酸的影响成为岩溶区碳汇研究的新方向。

5 结论与展望

本文通过对中英文文献数据库中的文献进行计量学分析发现，土壤改良研究呈现出从对土壤理化性质的改善到提高土壤碳库储量，呈现出由表层逐步深入的研究趋势。整合分析土壤改良措施对土壤碳循环及岩溶碳汇效应的多维度影响，发现生物炭、有机肥及秸秆还田等改良手段通过提升土壤有机碳含量、优化微生物群落结构、抑制温室气体排放及增强岩溶溶蚀，显著改善了土壤质量并强化了区域碳汇能力。生物炭添加量与DOC呈正相关，但可能存在阈值效应，其吸附特性有效降低重金属污染风险；有机肥通过改善土壤理化性质和溶蚀能力，驱动岩溶区土壤CO2浓度升高，促进碳酸盐岩风化，从而增强岩溶碳汇效应。研究进一步表明，土壤改良通过增强固碳稳定性、抑制土壤呼吸及优化微生物活性，显著提升土壤碳库的生态功能，并揭示了岩溶碳汇与土壤改良间的双向耦合关系——高浓度土壤CO2既是岩溶作用的驱动力，亦受控于改良措施对碳循环的调控。
然而，当前研究仍面临以下挑战：第一，岩溶区土壤改良研究相对滞后，现有成果多基于短期田间试验，缺乏长期监测数据支撑。第二，碳汇效应量化方法（如水化学法与试片法）存在显著差异，在不同区域差异的影响因素尚未明晰；样地尺度的岩溶碳汇计量方法亟需建立，以准确评估土壤改良的岩溶增汇效应。第三，土壤改良对微生物功能基因、酶活性及有机酸分泌的调控机制尚未完全明晰。第四，对于不同气候区、土壤类型的土壤改良措施建议体制尚未完善。
未来需聚焦长期定位试验以评估改良措施的持续性效果，建立岩溶碳汇的标准化计量体系，并深入解析微生物功能基因与有机酸分泌的调控机制，结合岩溶区土壤富钙偏碱特性，综合评价改良措施对作物产量、土壤健康及生态效益的协同影响；同时，利用学科融合等方式，建立针对不同特点的低产土壤区改良数据库，进一步推广土壤改良工作。本文为土壤改良技术在提升碳汇潜力与应对气候变化中的应用提供了理论支撑，强调多学科交叉与区域适应性研究的重要性，以推动岩溶区生态修复与农业可持续发展的深度融合。

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