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长期绿肥-水稻轮作显著提升两种黏粒含量土壤的有机碳（SOC）储量，分别通过增加POC（粉质壤土）和MAOC（黏质壤土）实现。POC提升源于微生物残体累积，而MAOC增加与高黏粒含量（提供矿物结合位点）及绿肥分解产生的芳香族溶解有机碳（DOC）直接吸附矿物表面有关。研究证实绿肥轮作通过纹理特异性机制增强土壤碳封存，并揭示了DOC组分转变在碳稳定中的作用。
施思伟|常丹娜|周国鹏|高松娟|梁婷|聂俊|黄静|曹卫东
中国农业科学院农业资源与区域规划研究所高效利用耕地国家重点实验室，北京100081
摘要
绿肥-水稻轮作是提高作物产量和增加土壤有机碳（SOC）储量的有效策略。然而，驱动不同功能组分中SOC积累的机制仍不清楚。本研究通过两个长期田间试验，考察了颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）对绿肥-水稻-水稻（GM）轮作的响应，这两个试验的土壤粘粒含量不同（粉粘壤土和粉粘壤土）。与冬季休耕（WF）相比，在相同肥料投入下，GM使水稻产量平均增加了11.7%。在这两种土壤中发现了不同的土壤碳封存途径。在粉粘壤土中，GM使SOC增加了10.6%，主要通过POC池中的微生物死亡物质积累实现，而MAOC保持不变。相比之下，在粉粘粘壤土中，SOC增加了17.1%，微生物和植物来源的碳同时贡献于POC和MAOC池。MAOC的增加与高粘粒含量（即丰富的矿物结合位点）以及溶解有机碳（DOC）组成的变化密切相关。具体而言，GM引入了某些特定真菌属（如Staphylotrichum），这些真菌分解类木质素化合物，将其转化为DOC池中的芳香族和多环芳烃化合物，从而通过直接吸附到矿物表面促进了MAOC的稳定。傅里叶变换红外光谱进一步表明，GM增加了粉粘粘壤土中MAOC的碳含量，但在粉粘壤土中保持不变。总体而言，持续的绿肥-水稻轮作通过特定于土壤质地的途径有效增强了土壤碳封存。
引言
农业土壤储存了地球上约8%–10%的陆地有机碳（C），在全球碳循环中起着关键但脆弱的作用（Ren等人，2020年）。自农业发展以来，陆地生态系统估计损失了456 Pg C，其中土壤有机碳（SOC）占这一损失的约29%（Lal等人，2018年）。这一巨大的损失凸显了采取基于科学的农业管理策略以阻止和逆转SOC消耗的必要性。新兴证据表明，退化农业土壤的再碳化是可能的，可以将它们从大气碳的来源转变为碳汇（Lal等人，2021年）。在这些策略中，绿肥（也称为覆盖作物）因其同时增加SOC储存和稳定性的双重潜力而得到广泛应用（Liang等人，2025年）。理解绿肥诱导的SOC形成和稳定机制对于开发有弹性的碳库和维持长期农业生产力至关重要。稻田土壤由于长时间处于厌氧状态，由于微生物分解速率降低，具有较高的SOC封存潜力（Chen等人，2021年）。特别是豆科植物-水稻轮作在全球范围内显示出提高产量和SOC封存的巨大潜力（Yao等人，2025年）。例如，根据多地点实验，种植中国乳草每年可使SOC增加0.4?g?kg?1，并使水稻产量提高6.5%（Gao等人，2023年）。此外，绿肥衍生的碳主要保留在微聚集体中，而不是大聚集体中（Yang等人，2014年）。人们普遍认为SOC不是一个均匀的池，而是由不同的功能组分组成，如颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）（Lavallee等人，2020年）。短期稳定的POC主要受外源底物质量的影响（Bian等人，2024年），而长期稳定的MAOC则受矿物表面积和底物化学性质的影响（Georgiou等人，2022年；Sokol等人，2022年）。土壤碳封存的潜力通常通过粘粒和粉粒含量作为关键指标来评估，因为SOC的饱和度主要受矿物结合位点的可用性控制（Georgiou等人，2022年）。虽然绿肥在推动SOC封存中的作用已有充分记录，但不同功能组分中SOC的分布尚不完全清楚。此外，尽管微生物副产物通常被认为是MAOC的主要贡献者（Yang等人，2022年），但植物来源的稳定碳池的贡献可能被低估了（Angst等人，2021年）。因此，区分有机碳来源对于理解农业生态系统中的SOC封存机制至关重要。通过溶解有机碳（DOC）池的碳流动和转化是理解这些过程的核心（Cooray等人，2025年）。
土壤DOC的分子特性，如其反应性、组成及其与矿物的相互作用，直接影响碳保留效率（Hu等人，2024年；Niu等人，2024年）。DOC包含一系列功能基团，有助于选择性地吸附到矿物表面（Coward等人，2018年）。例如，来自维管植物的芳香族和热解化合物优先被氢氧化铁吸附，而富含羧基的烷基酸则更难稳定，倾向于留在溶液中（Riedel等人，2013年）。在绿肥分解过程中，会释放大量易分解的DOC，刺激微生物活动，并可能通过微生物和非生物过程转化为更难分解的形式（Shi等人，2025年）。然而，DOC促进SOC稳定的具体分子机制仍不清楚。特别是，在绿肥-水稻轮作下，DOC的分子组成和多样性如何变化，以及哪些成分优先保留在矿物相关组分中，目前尚不清楚。
为了深入理解长期施用绿肥对稻田土壤碳封存的影响，我们研究了长期绿肥-水稻轮作对SOC及其组分、DOC分子特性、微生物死亡物质和木质素酚类化合物积累的影响。我们的研究基于两个粘粒含量不同的田间试验。我们假设：（1）长期绿肥-水稻轮作无论在何种土壤类型下都会增加POC池中的SOC积累；（2）MAOC含量的增加将与土壤粘粒含量和DOC组成密切相关。
实验设计
在中国湖南省建立了两个长期稻田施肥试验：一个位于长沙市高桥镇（30°28′ N, 114°25′ E；建立于2016年），另一个位于祁阳县（26°45′ N, 111°52′ E；建立于2012年）。选择这两个地点的目的是为了评估长期施用绿肥在不同土壤质地下的碳封存效果的稳定性。根据美国土壤分类法的第三版，祁阳和高桥的土壤属于
稻谷产量和土壤及组分中的SOC含量
与WF相比，长期施用绿肥显著提高了两个试验地点的水稻产量（图1a, b；p < 0.01）。在粉粘壤土中，产量提高了2.4%（图1a），在粉粘粘壤土中，产量提高了20.9%（图1b），总体平均增加了11.7%。GM下的SOC含量高于WF。在粉粘壤土中，SOC含量从WF下的12.3?g?kg?1增加到GM下的13.6?g?kg?1（+10.6%）；而在粉粘粘壤土中，SOC含量从14.3?g?kg?1增加到绿肥-水稻轮作对SOC封存的影响
土壤碳储存取决于有机质输入与矿化输出之间的平衡（Cotrufo和Lavallee，2022年）。我们的结果表明，与冬季休耕相比，长期施用绿肥显著增强了稻田中的SOC封存，这主要是由于绿肥带来的碳输入增加（图1）。这些发现与其他使用有机材料改良的稻田系统的报告一致（Yao等人，2025年；Zhou等人，2025年）。虽然结论
通过两个长期田间施肥试验，我们发现持续的绿肥-水稻轮作通过不同的途径增强了两种质地土壤中的土壤碳封存。在粉粘壤土中，SOC主要以POC的形式积累，通过增加细菌和真菌死亡物质的积累实现；而在粉粘粘壤土中，绿肥促进了MAOC池中的SOC稳定。
CRediT作者贡献声明
高松娟：撰写——原始草稿，研究。梁婷：研究。聂俊：资源。黄静：资源。施思伟：撰写——原始草稿，可视化，方法学，数据分析，概念化。常丹娜：撰写——原始草稿，研究。周国鹏：撰写——原始草稿，研究。曹卫东：撰写——原始草稿，监督，资源，项目管理，研究。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2021YFD1700200）、CARS-绿肥专项基金（CARS-22）以及中国农业科学院农业科技创新计划（ASTIP）的支持。
