有机改良剂通过增强物理防护和化学稳定性，减轻了易受侵蚀影响的坡地农田中土壤有机质（SOC）的流失

《Environmental Research》：Organic amendments alleviate SOC loss from erosion-prone sloping farmland by enhancing physical protection and chemical stabilization

土壤侵蚀导致坡地农业土壤有机碳（SOC）空间异质性，有机改良剂（OA）通过物理保护与化学稳定协同增强SOC固存。长期试验表明，OA显著提升SOC储量及团聚体稳定性，OF在上坡减少POC损失3.7倍，OFSW在下坡增加可氧化POC 0.7-1.4倍，DOM腐殖化与矿物结合机制主导碳稳态。研究为坡地碳汇增强提供策略依据。

　　

刘宇|刘冰|张青文|尚冠龙生|史玉龙|詹晓英|郝卓|郑莉|魏新媛|王东

中国农业科学院环境与农业可持续发展研究所农业清洁流域研究组，农业农村部农业与农村生态环境重点实验室，北京，100081，中国

摘要：

有机改良剂（OA）能够增加坡地农田中的土壤有机碳（SOC）储量，并减轻侵蚀。然而，OA调控SOC再分配和稳定的机制尚不清楚。本研究通过长期田间实验，设置了三种处理方式（仅施用化学肥料（CK）、施用有机肥料（OF）以及施用有机肥料并结合秸秆还田（OFSW），探讨了OA在调节中国西南部坡地农田中SOC组分和溶解有机质（DOM）腐殖化过程中的关键作用。结果表明，侵蚀导致SOC组分的空间异质性：颗粒有机碳（POC）在上坡面流失，而与矿物结合的有机碳（MAOC）在下坡面积累。OA的应用显著提高了OF和OFSW处理下的SOC含量及团聚体稳定性。具体而言，OA处理组上坡面的POC含量是CK组的3.7倍以上，而下坡面的POC含量增加了0.7至1.4倍。OF主要促进了DOM的腐殖化及MAOC的保存，而OFSW则更有效地保留了上坡面的SOC，并增加了下坡面的活性POC含量。PARAFAC建模表明，腐殖质类DOM的富集与SOC的稳定有关。偏最小二乘路径模型揭示了OA通过物理保护和化学稳定途径对SOC的协同调控作用。这些发现强调了定制化的OA策略在减轻侵蚀引起的SOC损失和增强坡地农业生态系统碳封存方面的有效性。

引言

土壤有机碳（SOC）的流失威胁着农业的可持续性，尤其是在受到城市扩张压力和周围农业用地压力加剧的情况下，侵蚀会加剧碳损失并破坏生态系统（Lal, 2019; Chen et al., 2024a）。全球范围内，农田的侵蚀率是未开垦地区的3倍以上（Lin et al., 2022）。在坡地上，土壤流失量可能是平坦土地的5至30倍（Lal, 2019; Wang et al., 2024）。快速的城市扩张进一步减少了肥沃的平坦农田，使农业活动转移到侵蚀风险更高的边缘坡地（Zhang et al., 2024; García-Ruiz, 2010）。因此，可持续管理坡地农田对区域粮食安全至关重要（Pan et al., 2023）。阐明侵蚀条件下的SOC再分配和稳定机制对于制定适应坡地的管理策略至关重要。

SOC的稳定性受到环境条件与不同周转时间碳库之间相互作用的影响（Guggenberger et al., 1994; Zhang et al., 2021）。活性组分，包括颗粒有机碳（POC）、溶解有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）和易氧化有机碳（EOC），是SOC动态的敏感指标（Liu et al., 2014; Ge et al., 2021），而与矿物结合的有机碳（MAOC）则通过微生物转化和有机-矿物结合实现长期封存（Garten and Wullschleger, 1999; Xuan et al., 2024）。微生物效率-矩阵稳定（MEMS）框架认为，高效的微生物处理植物输入物可以生成通过聚集和矿物结合稳定的碳前体（Cotrufo et al., 2013; Lavallee et al., 2020）。然而，最近关于多层MAOC积累的研究结果挑战了该模型中的传统饱和概念（King and Sokol, 2025）。有机改良剂（OA）能够提高多种农业系统中的团聚体稳定性和抗侵蚀能力（Chaudhary et al., 2017; Meng et al., 2025）。例如，长期田间研究表明，在果园和农田系统中，施用秸秆和绿肥作物（如黑麦草、白三叶草）或同时施用化学肥料和有机肥料可以显著增加SOC储量并改善土壤团聚状态（Chaudhary et al., 2017; Rolando et al., 2017; Zhang et al., 2025）。然而，在坡地农田中，OA的效果受到地形和侵蚀的影响，对其沿坡面调节SOC组分的作用的认识仍然有限（Shi et al., 2019; Chen et al., 2024a; Lin et al., 2022）。

在中国西南部的紫色土壤区域，坡地农田占耕地面积的60%以上，由于季风降雨、陡峭的地形和施肥不足，面临严重的SOC流失问题（Liu et al., 2024）。城市扩张的压力减少了可用农田的数量，加剧了土壤退化问题（Fan et al., 2023）。紫色土壤具有较低的固有SOC含量（< 15 g kg^-1）、高粘土活性和快速养分淋溶的特点，这对SOC稳定提出了独特挑战（Jing et al., 2024）。从“同一健康”（One Health）的角度来看，城郊坡地农田的SOC流失不仅影响土壤退化，还限制了粮食生产能力，影响了向不断增长的城市人口提供的农产品质量（Gao et al., 2023）。同时，大量的城市有机废弃物资源未被充分利用，这为相邻农田的养分循环和土壤改良提供了机会（Hou et al., 2024; Du et al., 2024）。因此，增强这些脆弱地区的SOC封存和稳定性的策略不仅仅是农艺上的改进，也是促进可持续城乡生态系统的关键。

虽然OA在平坦田地中的益处已有充分记录（Chaudhary et al., 2017; Meng et al., 2025），但在坡地农田中的效果受到地形驱动的侵蚀和沉积过程的影响。这两个研究领域之间的知识空白仍然很大。关于OA对SOC组分变化的研究通常在平坦地形上进行，忽略了坡度位置带来的根本性异质性（Shi et al., 2019; Chen et al., 2024a）。关于侵蚀过程中SOC再分配的研究往往将管理因素视为次要因素，很少关注不同OA策略如何主动调节这些过程（He et al., 2023; Pan et al., 2023; Xia et al., 2022）。系统地了解OA如何影响特定SOC组分在土壤侵蚀过程中的动态变化目前尚缺乏。溶解有机质（DOM）是最活跃的SOC组分，对碳传输和微生物活动至关重要（An et al., 2024; Feng et al., 2025; Cotrufo et al., 2013）。DOM的分子特性，如芳香性、分子量和腐殖化程度，对其在微生物分解和矿物结合过程中的命运有重要影响（Pan et al., 2023; Li et al., 2022）。OA可以增加DOM浓度并改变其化学性质，间接增强团聚体和抗侵蚀能力（Feng et al., 2025; Li et al., 2022）。虽然一些研究强调了OA在团聚体稳定或通过表面覆盖减少碳损失方面的作用（Chen et al., 2024b; Xing et al., 2024），但OA输入与坡度驱动过程对DOM化学稳定性和碳库转化的协同效应仍不甚明了。填补这一知识空白对于推进侵蚀易发农业生态系统中的SOC循环机制框架和优化特定坡度条件下的OA策略至关重要。

本研究通过明确考虑坡度位置的异质性来评估SOC组分和DOM特性，推动了坡地农田中OA的研究。我们假设：（1）OA输入通过POC积累补偿上坡面的SOC流失；（2）OA促进DOM的腐殖化，从而增加SOC的稳定性；（3）OA通过调节沿坡度的再分配途径减轻SOC流失。通过结合长期田间实验和光谱及建模方法，本研究旨在：（1）量化OA对不同坡度位置SOC组分（POC、MAOC）和DOM组成的影响；（2）揭示OA影响侵蚀土壤中SOC稳定性的途径；（3）提出定制化的OA策略，以增强碳汇能力并减轻侵蚀引起的损失。这些发现将推进侵蚀易发地区SOC管理的理论框架，并有助于实现可持续发展目标（SDGs），促进具有韧性的农业生态系统和人类健康。

研究地点

本研究在中国四川省中江县进行（图1），该地区以广泛的紫色土壤和密集的坡地农业为特征。该县距离成都市中心约70公里，其农业系统位于一个大型都市的动态城郊交界处。选定的研究坡地代表了当地的农业实践，同时也反映了...

水稳团聚体稳定性和土壤侵蚀性

OA显著增加了土壤中大团聚体的比例（图2）。在上坡位置，OF和OFSW分别增加了FMA和CMA的比例，而CK主要导致团聚体分布在MI和SC组分中。在下坡位置，OA显著增加了FMA的比例，OF对CMA的贡献最小，但在其他组分中的比例较高。

有机改良剂通过物理稳定作用增强抗侵蚀能力

土壤侵蚀表现出明显的粒径选择性传输特性，导致不同坡度位置的SOC组分存在显著的空间异质性。在水蚀过程中，POC由于水流的剪切力而优先向下坡移动（He et al., 2023; Shi et al., 2024），而MAOC则由于其与土壤矿物的强结合亲和力（如羧基-C稳定的粘土-有机复合物）而倾向于在沉积区积累

结论

城郊地区的坡地农田具有特殊且日益关键的地位，对区域粮食安全至关重要，但同时容易受到土壤侵蚀和城市扩张的双重压力，城市扩张消耗了优质的平坦农田，迫使农业向更边缘的坡地发展。有机改良剂的施用为增强碳封存和改善城乡交界处脆弱坡地农田的土壤健康提供了多方面的解决方案

作者贡献声明

尚冠龙生：调查、数据分析。张青文：写作——审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。詹晓英：资源管理、项目协调、资金获取。史玉龙：软件应用、方法论研究、调查。郑莉：写作——审稿与编辑、软件应用、方法论研究。郝卓：监督、项目协调。魏新媛：写作——审稿与编辑、数据分析。王东：写作——审稿与编辑

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD1901401）和农业科技创新计划（CAAS-CSAL-202302）的支持。