追踪不同耕作方式和氮肥施用强度下，土壤颗粒物及矿物相关组分中有机碳的来源

《Soil and Tillage Research》：Tracing the source of organic carbon in particulate and mineral-associated soil fractions in response to tillage and nitrogen fertilization intensities

研究显示，长期免耕（NT）通过增加微生物生物量碳和真菌/细菌比值，促进玉米残体碳从可溶颗粒有机物（POM）向稳定矿物结合有机物（MAOM）转化，提升表层及深层土壤的有机碳稳定性。

　　

作者：Hem C. Sharma、Wei Ren、Laura E. Lindsey、Hanna Poffenbarger、Pierre-Andre Jacinthe

美国印第安纳大学地球与环境科学系，印第安纳波利斯，IN 46202

摘要

虽然耕作管理和氮（N）施肥可以影响土壤有机碳（SOC）的状态，但关于这些做法对活性颗粒有机质（POM）和稳定矿物相关有机质（MAOM）土壤组分中SOC分布的综合影响的信息有限。鉴于低强度耕作有利于SOC的保护，而氮肥施用可以增加作物残渣进入土壤系统的量，因此假设长期免耕（NT）（与翻耕机耕作MB相比）和高氮肥施用量会通过促进POM向稳定MAOM的转化来增强SOC的稳定性。为了验证这一假设，从美国肯塔基州连续种植玉米（Zea mays L.）52年的研究地块中采集了表层（0–5厘米）和深层（15–30厘米）的土壤样本，这些地块分别采用NT或MB进行管理，并施用了0、84或168公斤氮肥/公顷/年的氮肥。使用超声波处理和筛分方法将土壤样本分离成POM（>20微米）和MAOM（<20微米）组分，并利用13C自然丰度测量了各组分中的玉米来源碳含量。结果表明，在表层土壤中，NT相比MB增加了POM和MAOM组分中的总碳和玉米来源碳；而氮肥施用仅影响了MAOM组分。此外，在NT表层土壤中，土壤微生物生物量碳（MBC）以及真菌与细菌的比例均高于MB处理。这些现象，加上MBC与MAOM之间的强相关性，表明在NT条件下，玉米残渣中的碳更可能以微生物副产物的形式保留在MAOM中。在深层土壤中，尽管POM含量相似，但MAOM含量也高于MB处理。总体而言，NT对活性POM和稳定MAOM土壤组分都有积极影响，这突显了其在农业生态系统中对土壤健康和SOC固存的贡献。

引言

土壤中有机碳（C）的固存有助于减缓大气二氧化碳（CO?）的增加，从而在缓解人为气候变化方面发挥作用。此外，SOC的积累通过改善土壤的物理、化学和生物特性（包括水分和养分的有效性）来提升土壤健康，从而支持可持续的农业生产并促进粮食安全（Reeves, 1997）。高强度耕作导致的土壤扰动会导致土壤有机碳（SOC）的流失，加速CO?排放，最终使土壤从碳汇转变为碳源。许多研究探讨了农田的SOC固存能力及其相关的气候缓解效益（Conant et al., 2011, Wiesmeier et al., 2019, Block et al., 2024）。为此，提倡采用免耕（NT）、减少耕作和覆盖作物等保护性农业实践。然而，要准确评估陆地SOC固存作为气候缓解策略的有效性及其所能提供的长期CO?排放抵消效应，了解不同土地管理方式下的SOC保留和稳定机制至关重要。

SOC的形成和保留涉及多种生物和非生物过程，包括植物残体的微生物分解、新化合物的合成以及通过物理化学机制（如聚集和与土壤矿物的结合）使其稳定（Six et al., 2002, Wiesmeier et al., 2019, Islam et al., 2022）。由于SOC存在于多种物理形态中（例如自由颗粒态、被包裹态和矿物结合态），并且具有不同的生化稳定性，因此评估农业管理措施对SOC稳定性的影响颇具挑战性。将SOC分为颗粒有机质（POM）和矿物相关有机质（MAOM）为克服这一难题提供了有希望的方法，并为探究SOC形成途径和稳定机制提供了概念框架（Cambardella and Elliott, 1992, Lavallee et al., 2020, Haddix et al., 2020）。POM组分由轻质未分解的植物碎片组成，周转时间较短（<50年），代表了一个对土地管理变化反应迅速的活性SOC库（Blanco-Moure et al., 2013, Kleber et al., 2015, Aduhene-Chinbuah et al., 2022）。相比之下，MAOM组分主要由与土壤矿物紧密结合的微生物衍生化合物组成，因此周转速率较慢，持久性更强（Kogel-Knabner et al., 2008, Jagadamma et al., 2012）。尽管POM可以通过微生物作用转化为MAOM，但由于其易分解性，POM浓度的增加并不一定意味着长期SOC的储存（Cotrufo et al., 2013, Lehmann and Kleber, 2015）。此外，MAOM也可以直接由残体衍生的可溶性有机化合物通过物理化学稳定作用形成，而不必经过POM的中间步骤（Manzoni and Cotrufo, 2024）。因此，将SOC分为POM和MAOM组分有助于阐明SOC稳定机制，特别是结合使用稳定碳同位素技术追踪碳来源时（Graf-Rosenfellner et al., 2018, Rocci et al., 2021, Chenu et al., 2024）。

农业管理措施会影响POM和MAOM组分之间的SOC分布。高强度耕作方式（如翻耕机耕作MB）会破坏土壤团聚体，加速作物残体的微生物分解，通常不利于SOC的稳定（Grandy and Robertson, 2007）。尽管NT耕作通常比传统耕作导致更高的SOC积累率（Lal and Kimble, 1997, Poirier et al., 2009），但其对POM和MAOM之间SOC相对分布的影响并不一致，文献中的研究结果存在差异（Salvo et al., 2010; Aduhene-Chinbuah et al., 2022）。在NT系统中，由于作物残渣在表层积累，可能会促进POM库中的碳保留；然而，在NT表层土壤（0–5厘米）中，MAOM的形成可能受到土壤矿物碳饱和度的限制（Hassink, 1996, Rodrigues et al., 2022）。此外，由于NT条件下作物残渣与深层土壤微生物的接触有限，POM可能无法作为MAOM的前体，在深层土壤（15–30厘米）中观察到这两组分之间的解耦。氮肥施用也会通过影响作物生产力、残渣输入和土壤微生物来影响POM和MAOM之间的SOC分布（Poirier et al., 2009, Poffenbarger et al., 2017）。尽管也有观察到负面影响，但氮肥通常有利于POM的形成（Brown et al., 2014, Chai et al., 2015）。氮肥对MAOM组分的影响各不相同，有正面效果（Chen et al., 2020b）、负面效果（Ye et al., 2018, Chen et al., 2021）以及无效果（Zak et al., 2017, Yuan et al., 2020）的报道。需要注意的是，由于大多数以往的研究都是在短期至中期（<30年）NT管理和不同氮肥施用量下进行的，因此可能无法充分了解耕作和氮肥对土壤中POM和MAOM分布的长期影响。

细菌和真菌是土壤微生物群落的主要组成部分，在POM和MAOM之间SOC的形成、转化和分布中起着重要作用。研究表明，NT条件下的土壤通常具有更高的真菌与细菌（F/B）比例和总微生物生物量（Bailey et al., 2002, Chen et al., 2020a, Sae-Tun et al., 2022）。传统耕作会破坏真菌的菌丝网络，有利于细菌在土壤微生物群落中的主导地位。由于真菌通常比细菌具有更高的碳利用效率，因此在以真菌为主的土壤系统中观察到更高的SOC保留率（Allison et al., 2005, Keiblinger et al., 2010, Liang et al., 2019, Sae-Tun et al., 2022）。长期施用氮肥会通过沉积富含氮的作物残渣减少真菌生物量，而非真菌优先代谢的富含碳的底物（Treseder, 2008, Keiblinger et al., 2010）。因此，了解土壤微生物生物量中真菌和细菌成分的相对活性有助于阐明微生物过程对POM和MAOM组分之间SOC分配的贡献。

在从C?植被（生物量13C为?32‰至?22‰）向C?植被（生物量13C为?17‰至?9‰）转变的农业系统中，土壤有机物的13C自然丰度常被用来追踪总SOC库的来源和动态（Balesdent et al., 1987, Nakajima et al., 2016）。然而，利用13C稳定同位素技术量化POM和MAOM组分中SOC来源的应用相对较少（Lavallee et al., 2018）。通过研究这些土壤组分中的SOC来源，可以更好地理解长期耕作和氮肥管理对农业土壤中SOC稳定性的影响。

本研究利用13C自然丰度量化了耕作方式和氮肥施用强度对玉米来源碳在POM和MAOM组分中累积的综合影响。假设长期NT和氮肥施用由于增加了作物残渣输入和减少了土壤扰动，从而增加了POM组分中的碳含量。还假设由于POM组分的易分解性和快速周转特性，与其相关的玉米来源碳会逐渐转移到更稳定的MAOM组分中，导致长期NT条件下的MAOM组分中玉米来源碳浓度高于MB条件。本研究的具体目标是：（i）探讨耕作方式（NT和MB）和氮肥施用对表层（0–5厘米）和深层（15–30厘米）土壤中总碳和玉米来源碳在POM和MAOM组分中分布的交互作用；（ii）利用13C稳定同位素技术确定POM和MAOM组分中玉米来源和非玉米来源SOC的分布；（iii）通过分析POM-C与MAOM-C的比率来评估长期管理措施（耕作和氮肥施用）对SOC稳定性的影响。

研究地点描述

本研究使用了从实验地块（肯塔基州列克星敦；北纬38° 07′ 18′′，西经84° 29′ 10′′）收集的土壤样本，这些地块用于研究耕作和氮肥施用量对作物产量和土壤性质的影响。研究地点的土壤主要是Maury粉壤土（细粒、混合、活性、湿润型典型Paleudalf），这种土壤形成于磷质石灰岩母质中，含有约70%的粉粒、18%的粘粒和12%的砂粒（Rinehart et al., 2025）。

SOC组分的有机碳浓度、13C丰度和C/N比率

在表层土壤（0–5厘米）中，所有氮肥施用量（0、84和168公斤氮/公顷）下，NT处理下的POM-C含量是MB处理下的两倍（P < 0.001；表1，表2）。然而，在深层土壤（15–30厘米）中未观察到POM-C的差异。无论在哪个土壤层或氮肥施用量下，NT处理下的MAOM-C含量也显著高于MB处理（P < 0.001；表1，表2）。

在表层土壤（0–5厘米）中，POM组分的δ13C值为

讨论

本研究的总体目标是评估长期NT和氮肥施用如何影响土壤有机碳向活性（POM）和稳定（MAOM）组分的分配。由于NT条件下作物残渣留在土壤表面并与犁层混合，本研究还探讨了POM和MAOM组分在表层和深层土壤中的分布模式是否有所不同。

结论

本研究旨在了解农业实践的强化，特别是耕作方式（NT vs MB）和氮肥施用量（0、84和168公斤氮/公顷/年），如何影响SOC的稳定，通过其在活性POM和更稳定的MAOM组分之间的分布来进行评估。该评估使用了连续种植玉米52年的实验地块的表层（0–5厘米）和深层（15–30厘米）土壤数据。

CRediT作者贡献声明

Hem C. Sharma：撰写——初稿、方法论、调查、数据整理、概念化。Wei Ren：撰写——审稿与编辑、概念化。Laura E. Lindsey：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。Hanna Poffenbarger：撰写——审稿与编辑、资源管理、概念化。Pierre-Andre Jacinthe：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。

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

作者衷心感谢Alfred P. Sloan基金会（资助编号G-2019–12468）提供的资金支持。特别感谢Blevins研究地块委员会允许进入研究地点。我们还要感谢Bob Blevins建立研究基地，以及John Grove多年来的管理和数据收集工作。同时感谢Laura Harris、Sara Carter、Matthew Allen、Thomas Morgan和Jim West对研究地块的维护。