常规耕作与免耕耕作条件下与土壤矿物相关的有机质：空间驱动因素及局部尺度分布图

《Alcohol》：Soil mineral-associated organic matter under conventional and no-till farming: Spatial drivers and local-scale mapping

土壤有机碳稳定化机制及预测模型研究：在俄罗斯森林草原区对比传统与免耕系统下矿物相关有机质（MAOM）和易分解有机质（POM）的动态，发现免耕通过微生物活动增强MAOM（MBC和白云石关键驱动），并建立整合土壤与遥感数据的高精度预测模型（R2=0.77和0.73），为碳汇管理提供新方法。

　　

索菲亚·苏什科（Sofia Sushko）| 尤里·德沃尔尼科夫（Yury Dvornikov）| 斯韦特兰娜·涅普里莫罗娃（Svetlana Neprimerova）| 克里斯蒂娜·伊瓦申科（Kristina Ivashchenko）| 安娜·尤迪娜（Anna Yudina）| 安东尼娜·格里戈罗娃（Antonina Grigorova）| 努涅·科瓦列娃（Nune Kovaleva）| 卢德米拉·奥尔洛娃（Ludmila Orlova）| 胡春生（Chunsheng Hu）

俄罗斯科学院土壤科学物理化学与生物问题研究所，普希奇诺 1422902，俄罗斯

摘要

优化长期土壤有机碳（SOC）的封存机制需要理解空间变异性及其稳定碳库的驱动因素。本研究量化了在商业农业环境中，稳定矿物相关有机质（MAOM）和活性颗粒有机质（POM）对不同管理方式的响应，识别了关键的环境驱动因素，并建立了预测性空间模型。研究在俄罗斯森林-草原生态过渡带的黑土（Chernozem）上进行，比较了传统的耕作方式（CT，种植向日葵和小麦）与两种免耕方式（NT，分别种植大豆、向日葵和小麦），这两种免耕方式已实施5年和8年。免耕系统每年施用中等量的氮肥（21–34公斤氮/公顷），而传统耕作方式则不施用氮肥。研究人员分析了90个土壤样本（深度0–10厘米），采用颗粒大小分级、微生物分析、X射线衍射和统计建模方法。结果表明，与传统耕作方式相比，免耕方式显著增加了MAOM含量（22–27%），同时降低了POM含量（9–23%）。MAOM含量随微生物生物量（MBC）和白云石含量的增加而增加，但随着粉砂-粘土组分中石英含量的增加而减少（分别解释了16%、8%和11%的变异），这突显了微生物-矿物在有机碳稳定中的作用。相比之下，土壤微生物和矿物特性对POM变异性的预测能力较弱。结合遥感指标与土壤属性（SOC、MBC、石英）的梯度提升机器模型在预测MAOM（R2 = 0.77）和POM（R2 = 0.73）方面具有较高准确性，从而实现了这些有机碳库的农场规模制图。我们的研究结果表明，短期免耕结合种植大豆和氮肥施用可以通过微生物作用在相对较短的时间内提高SOC的稳定性。整合土壤数据和遥感数据为温带农业生态系统的定向SOC管理和景观尺度封存策略提供了有力框架，这一方法也可能适用于其他地区。

引言

在农业系统中封存土壤有机碳（SOC）是应对全球气候变化和确保粮食安全的一条有前景的途径（Lal, 2004）。2015年的COP 21会议上，“每1000公顷土地增加4%有机碳”倡议（www.4p1000.org）得到了国际社会的认可，该倡议的目标是每年增加0.4%的全球SOC储量（Chabbi et al., 2017）。最新建模研究表明，如果25–50%的农业土地采用SOC封存措施，到2050年有可能抵消30–70%的人为二氧化碳排放（Almaraz et al., 2023）。

免耕已成为这一领域的领先保护措施，其全球应用面积每年增加约1050万公顷（Kassam et al., 2019）。免耕通过消除耕作和减少土壤扰动，保留了地表作物残余物，从而显著改善了表土的微气候和养分条件。这些条件促进了微生物生物量的增加，尤其是真菌群落的发展，它们通过菌丝网络、胞外代谢产物和死亡物质输入增强了土壤结构，进而提高了表土的团聚性和碳保持能力（Kan et al., 2022, Sae-Tun et al., 2022, Yang et al., 2024, Powlson et al., 2014）。

农业用地中SOC的长期封存主要依赖于矿物相关有机质（MAOM）的积累（Just et al., 2023）。这种相对稳定的有机碳库来源于低分子量的植物和微生物残余物（<50–63 μm），它们与粘土和粉砂矿物结合，降低了微生物分解者的可利用性（Lavall ee et al., 2020）。相比之下，颗粒有机质（POM）由较大的植物残余物组成（大小从50–63 μm到2000 μm不等），这些残余物要么自由存在，要么包裹在团聚体中。POM是一种相对活跃的有机碳库，更容易被土壤微生物利用。

免耕条件下改善的土壤团聚性通过保护POM免受微生物分解和延长有机质与矿物的相互作用时间来促进两种有机碳库的积累（Concei??o et al., 2013, Blanco-Moure et al., 2013, Briedis et al., 2018, Jakab et al., 2023）。同时，MAOM的形成还受到有机质输入特性、微生物活性、粉砂和粘土矿物特征的影响（Song et al., 2025）。因此，免耕的效果在不同土壤和气候条件下存在显著差异（Blanco-Moure et al., 2013, Briedis et al., 2018, Concei??o et al., 2013, Fabrizzi et al., 2003）。这种变异性给预测和绘制农业景观中的MAOM分布图带来了挑战，而这对于制定有效的SOC封存策略和推进“每1000公顷土地增加4%有机碳”倡议至关重要（Lal, 2020）。

区域尺度的MAOM和POM预测模型在多种气候、土壤、植被类型和土地利用类型下显示出强大的潜力（Sakhaee et al., 2024, Zhang et al., 2024）。例如，在德国农业系统中的研究表明，MAOM和POM的分布主要受土壤类型、土壤-气候区和水文单元的影响（Sakhaee et al., 2024）。然而，对特定土壤-气候条件下MAOM和POM动态的机制理解仍然有限（Leuthold et al., 2024），这限制了农民实施定向管理策略以实现长期SOC封存的能力。

为解决这些问题，本研究追求三个目标：（1）量化传统耕作和免耕条件下MAOM和POM库的空间变异性；（2）探讨这些有机碳库与土壤微生物和矿物特性之间的关系，作为SOC稳定的潜在驱动因素；（3）开发用于农场规模SOC库分布预测的稳健统计模型。我们检验了两个假设：（i）免耕管理比传统耕作更能增加稳定MAOM的积累；（ii）MAOM的空间变异性主要由微生物活性和粉砂-粘土矿物组成控制。

研究区域和采样设计

本研究在俄罗斯东南欧平原（北纬54.181°，东经50.322°；萨马拉地区）的森林-草原生态过渡带进行。该地区具有温带大陆性气候，年平均气温为4.7°C，年平均降水量为459毫米，其中130毫米集中在夏季（WMO气象站“28806 Buguruslan”，1991–2020年数据）。地形起伏平缓，海拔高度在148–204米之间，坡度为0.3–6.5°（Shuttle Radar Topography Mission数据）

不同耕作方式下的POM和MAOM库

在总SOC水平相同的情况下（表2），免耕田的POM含量较低，而MAOM含量较高（图3）。经过8年的免耕后，MAOM在总SOC中的占比从44%逐步上升到56%（表S2）。在研究区域内，SOC的变异性与MAOM的相关性更强（r = 0.54，P < 0.001），而与POM的相关性较弱（r = 0.37，P < 0.001）。这表明MAOM在调节作物管理系统变化对SOC动态的影响中起着关键作用。

微生物特性和矿物组成的变异性

免耕管理显著影响了...

不同农业条件下MAOM形成的机制基础

短期免耕管理下的商业田块中MAOM含量明显高于传统耕作方式（图3），这证实了我们的第一个假设。然而，这种增强效果不能仅归因于耕作方式本身，因为两种方式在作物轮作和肥料管理上也存在差异（表S1）。这些管理措施会影响土壤中有机物的数量和质量，而后者对SOC的积累和稳定起着关键作用（Sokol et al., 2022）。

结论

这项农场规模的研究表明，5–8年的免耕管理可以显著增加黑土表土中的稳定MAOM含量，从而证实了我们的主要假设。这种效应反映了减少土壤扰动、多样化作物轮作和战略性施肥措施的协同作用。MAOM积累的空间变异性主要受微生物生物量和白云石含量的影响，这些因素有利于有机基质的供应...

作者贡献声明

斯韦特兰娜·涅普里莫罗娃（Svetlana Neprimerova）：方法学研究、数据整理。尤里·德沃尔尼科夫（Yury Dvornikov）：初稿撰写、可视化处理、方法学研究、数据整理。索菲亚·苏什科（Sofia Sushko）：初稿撰写、可视化处理、数据分析、概念化。胡春生（Chunsheng Hu）：项目监督。卢德米拉·奥尔洛娃（Ludmila Orlova）：项目监督、资源协调。努涅·科瓦列娃（Nune Kovaleva）：研究工作、数据分析。安东尼娜·格里戈罗娃（Antonina Grigorova）：初稿撰写、数据分析。安娜·尤迪娜（Anna Yudina）：研究工作、数据整理。克里斯蒂娜·伊瓦申科（Kristina Ivashchenko）：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

土壤颗粒大小组分中有机碳的分析和论文准备工作得到了俄罗斯科学基金会（项目编号24–76–10079）的资助（https://rscf.ru/en/project/24–76-10079/）。土壤采样和实验室微生物分析得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部（项目编号125061107005–4）的支持。土壤矿物分析也在俄罗斯联邦科学与高等教育部的资助下完成。