将绿肥与氮含量降低20%的肥料混合使用，可以通过改善土壤团聚体的稳定性和官能团组成来增强土壤有机碳的储存能力

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Green manure incorporation with 20?% nitrogen reduction enhances soil organic carbon storage by improving aggregate stability and functional group composition

土壤有机碳封存与作物产量协同优化机制研究。通过2023-2025年西北绿洲区五水平氮肥减量（N60-N100%）结合豆科绿肥的田间试验，发现N80处理能稳定玉米产量（较N100差异不显著）并显著提升土壤有机碳储量（增幅达4.2%）。机理研究显示该处理通过增强>2mm大团聚体占比（达38.7%）、促进土壤多孔结构形成（蜂巢状孔隙占比提升2.3倍），以及优化有机碳功能群组成（芳香性指数提高18.6%，可分解官能团比例下降14.2%），实现碳化学稳定性与物理保护协同增效。

　　

王鹏飞|于爱忠|姜克强|庞晓能|霍建哲|王玉龙|尚永攀|侯世和

甘肃农业大学农学院，兰州730070，中国

摘要

在可持续农业中，平衡土壤碳封存与作物生产力是一个关键挑战。施用豆科绿肥提供了一种潜在的途径，但其与减少氮肥施用相结合以实现对土壤碳封存（SCS）和产量稳定性的协同效应的机制仍需进一步阐明。2023年至2025年，在中国西北部的一个绿洲灌溉区进行了一项田间试验，评估了五种氮肥施用量（100%（N100，传统氮肥施用量）、90%（N90）、80%（N80）、70%（N70）和60%（N60））对玉米产量、土壤有机碳储存（SOCs）及其潜在机制的影响。结果表明，N80处理有效维持了玉米产量，同时显著增强了土壤有机碳储存。这种协同效应归因于土壤团聚体稳定性的提高以及土壤有机碳化学稳定性的增强，具体表现为N80处理的芳香性指数最高，活性官能团的比例最低。具体而言，N80处理增加了大团聚体（>2毫米）的比例、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及>0.25毫米团聚体的比例（DR_0.25）。扫描电子显微镜观察显示，N80处理促进了土壤中丰富的蜂窝状孔隙和脊状表面结构的形成。这些独特的微观结构有效增强了团聚体内的有机碳积累。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，N80处理提高了SOC的芳香性指数（芳香族碳/脂肪族碳），并减少了活性官能团（特别是O–H/N–H和C–O官能团，这些官能团与多糖和酰胺相关）的比例。结构方程建模证实，施用豆科绿肥并减少20%的氮肥施用量主要通过改善团聚体稳定性和优化有机碳组成来促进SOC封存。基于多目标综合评估模型的回归分析显示，对于施用豆科绿肥的系统而言，减少18.74%的氮肥施用量是最优的。总之，减少20%的氮肥施用量并结合施用豆科绿肥是一种最佳的管理策略，能够协同增强SOC封存、改善土壤结构并保障绿洲农业生态系统的作物产量。

引言

作为陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳池对气候变化非常敏感，其封存能力的微小变化都会显著影响温室效应（Batjes, 1996）。据估计，仅提高表层1米内全球土壤有机碳含量0.4%就足以稳定大气中的CO₂浓度（Minasny et al., 2017）。农业土壤是土壤碳池中最活跃的组成部分，也受到最强烈的人类干扰。因此，联合国粮食及农业组织（FAO）已将农业土壤碳封存确定为一种经济可行的碳封存方法（Duxbury, 1994）。然而，当前的农业发展仍然主要依赖于投入强度的增加而非效率的提升（Lal, 2015）。在集约化农业实践中，大量的土壤有机碳会加速氧化分解，导致土壤碳库的显著退化和温室气体排放的增加。这直接破坏了土壤有机碳池与大气碳库之间的动态平衡（Lal, 2004）。同时，不可持续的农业实践，包括长期单一作物种植系统、过量化学氮肥施用和机械化操作，导致了土壤侵蚀、退化和结构恶化，同时增加了农田对温室气体排放的贡献（Guzman et al., 2015）。目前，农业活动占全球人为温室气体排放的21%至25%。这一现实迫使我们重新审视农田碳封存对于可持续农业发展的重要性，在此背景下，稳定和增加土壤有机碳储量成为了一个重要目标（Tubiello et al., 2013）。在《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方大会（COP 21）上，启动了“每1000公顷土地增加4吨有机碳”的倡议，旨在同时解决粮食安全和气候变化缓解问题（Lal, 2018）。因此，寻找既能保持高产量又能最小化环境影响的农业管理措施对于有效实施这一倡议至关重要。

作为一种古老的农业实践，绿肥不仅通过提供养分来提高土壤肥力，更重要的是通过其对土壤团聚体结构和有机碳储存的深远影响（Park and Lee, 2025）。施用绿肥为土壤提供了丰富的活性有机碳和氮源，这些物质作为关键的“启动能量”，强烈刺激了微生物活动和数量（Kim et al., 2020, Gao et al., 2021）。真菌菌丝网络及其代谢产物，尤其是粘性多糖，作为形成和稳定土壤团聚体的重要“生物粘合剂”（Lehmann et al., 2017）。这一过程直接促进了以大团聚体（>2毫米）为主导的土壤结构的发展，这些团聚体将新鲜的植物衍生碳及其衍生物封装在孔隙中，形成了有效的物理屏障，显著延缓了微生物分解和矿化过程（Six et al., 2004）。此外，绿肥分解过程中释放的特定生化成分，如多酚和木质素，以及微生物驱动的二次反应（包括氨氧化），可能将新鲜有机碳优先导向更稳定的芳香化合物，从而从根本上增强了土壤有机碳池的化学稳定性（Mehran et al., 2025）。相反，在缺乏稳定碳输入的情况下过量施用化学氮肥会通过加速微生物矿化过程来加速活性碳的周转，从而阻碍长期稳定碳库的积累（Geisseler and Scow, 2014）。因此，施用绿肥并结合适当的化学氮肥是一种优化方法，可以减少20%至40%的化学氮输入，同时保持作物产量，并显著增加3.9%至4.2%的土壤有机碳储存（Gao et al., 2021）。值得注意的是，绿肥输入可能优先促进有机碳在大团聚体及其更稳定组分中的积累和封存，从而通过改变有机碳官能团的组成来增强其化学稳定性（Cotrufo et al., 2013）。当前的研究表明，绿肥在协同实现稳定作物产量和土壤碳封存方面具有巨大潜力。然而，在施用绿肥的情况下，化学氮肥如何通过调节土壤团聚体的物理保护和有机碳官能团的化学稳定性来促进农业土壤有机碳封存的机制仍不清楚。

在中国西北部的绿洲灌溉区，小麦收获后的长期休耕期导致太阳能和热能资源的大量浪费。利用夏季休耕期种植豆科绿肥可以有效利用这些自然资源，同时提高土壤肥力。因此，小麦-绿肥-玉米轮作系统在该地区得到了广泛采用。本研究将豆科绿肥引入传统的小麦-玉米轮作系统中，探讨其对玉米产量和土壤碳储存的影响及其潜在机制。本研究旨在为提高农田土壤的碳封存和减少排放提供理论依据，并为制定缓解全球气候变化的政策提供科学支持。我们假设，在施用绿肥的情况下，适当的氮肥减少量可以通过改善土壤团聚体稳定性和优化有机碳官能团组成来增强土壤有机碳封存。

研究地点描述

2019年，在甘肃农业大学武威综合农业试验站（37°34′N, 102°94′E）建立了田间试验站。本研究分析了2023年至2025年两个完整作物轮作周期期间收集的田间数据。该试验站属于寒温干旱气候类型，年平均降水量为156毫米，年平均气温为7.3°C。该地区年日照时间接近3000小时，提供了丰富的太阳能

产量

在施用绿肥的情况下，减少10%和20%的氮肥施用量仍能维持与传统氮肥施用量相当的玉米产量（图3）。与N100处理相比，N90和N80处理没有显著降低产量，而N70和N60处理分别降低了10.5%和23.6%的产量（P?）。具体而言，N90处理比N70处理提高了9.5%的产量，N80处理比N60处理提高了22.8%的产量

增加>2毫米以上大团聚体的稳定性有助于增强土壤有机碳封存

土壤有机碳封存和稳定性是衡量农田生态系统健康和可持续性的关键指标。在这个过程中，尤其是>2毫米以上的大团聚体，被认为是封装和保护有机物免受快速分解的最关键物理单位，它们的形成和周转直接决定了土壤碳库的容量和持久性（Zhao et al., 2024）。本研究证实，在

结论

在施用绿肥的情况下，减少20%的氮肥施用量有效维持了玉米产量，同时显著增强了土壤有机碳储存。该系统提高了大团聚体（>2毫米）的比例和稳定性，并促进了微尺度结构特征的发展，包括丰富的蜂窝状结构和有序的脊状图案，为有机碳提供了有效的物理保护。此外，这种处理还促进了

CRediT作者贡献声明

王鹏飞：撰写 – 原始稿、方法论、数据整理。姜克强：方法论。于爱忠：撰写 – 原始稿、项目管理。尚永攀：监督。王玉龙：验证。霍建哲：软件。庞晓能：资源。侯世和：可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32160524）、甘肃省现代寒旱特色农业玉米产业技术体系（GSARS08）、甘肃省产学研结合科技创新示范项目（25FNNA003–2–2）、甘肃农业大学拔尖人才培育计划（GAUfx-04J01）的财政支持。