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文献解读| 土壤有机碳阈值控制肥料对全球农田碳积累的影响

日期: 2025-05-22
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文献解读| 土壤有机碳阈值控制肥料对全球农田碳积累的影响



文献解读


原名:Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide

译名:土壤有机碳阈值控制肥料对全球农田碳积累的影响  

期刊:Nature Communications

IF:14.7

发表日期:2025.3

第一作者:凌俊  中国农业大学资源与环境科学学院养分利用与管理国家重点实验室

# 背景

恢复土壤肥力和缓解全球变暖的举措在于重建土壤有机碳(SOC)。氮(N) 肥对作物产量至关重要,由于颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)对氮肥施用的响应不同,氮肥施用对土壤碳积累的影响难以预测。为了阐明这些影响,我们通过全球荟萃分析与大陆规模的田间试验相结合,研究初始SOC含量如何与氮肥相互作用来影响全球农田土壤的SOC积累。

# 假设

(1)氮肥施用促进了植物生产力和大团聚体的形成,从而增加了POC的积累和稳定;

(2)在土壤SOC匮乏的土壤中,资源化学计量和微生物养分需求之间的不平衡阻碍了微生物残体碳(MBC)的形成和POC的分解,从而削弱了MAOC的积累;

(3)较高的微生物代谢效率和微生物残体量,再加上矿物保护,增加了富含SOC土壤中MAOC的含量。

# 材料与方法

(1)为了确定初始SOC含量是否影响POC和MAOC响应氮肥的全球变化,我们编制了一个数据库,包括来自全球118个野外站点的609个POC和MAOC变化的配对观察值(图1),涵盖了非常广泛的初始SOC含量范围(0.79~46.1g kg-1);

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图1研究地点的全球分布


(2)中国四个试验地点位于曲周(QZ,9.49 g kg-1)、长武(CW,9.51 g kg-1)、四平(SP,16.3 g kg-1)和雅安(YA,17.4 g kg-1)4个不同土壤有机碳含量的耕地,在随机完全区组设计中建立相同的肥料实验,每个地点重复4次;


(3)测定指标:SOC、TN、POC、MAOC、木质素酚、氨基糖、团聚体分级、13C-固体核磁共振、水解酶、α-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、磷酸酶(ACP和ALP)、阳离子交换量、铁铝氧化物

# 结果分析

(1)不同初始SOC含量下氮肥对POC和MAOC的影响

全球阈值分析评估了POC和MAOC对不同初始SOC含量的响应,确定了其响应表现出突变的特定SOC水平(图2),初始SOC介导氮肥对土壤功能碳库影响的阈值为POC:14.8 g kg-1;MAOC:13.2 g kg-1。具体来说,初始SOC含量小于14.8 g kg -1时,POC急剧上升,然后略有下降。但在初始SOC含量较低时,MAOC急剧下降,当超过13.2 g kg -1土壤SOC阈值后,MAOC随土壤SOC的增加而略有下降。

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图2全球耕地土壤初始SOC介导的氮肥对POC和MAOC积累的影响


(2)当前施氮情景下全球农田POC和MAOC的变化

全球预测表明,在过去十年,相比未施肥,氮肥使POC和MAOC分别增加26%和8.3%(图3)。具体而言,氮肥低SOC含量的土壤中POC增加26%,高SOC含量的土壤增加22%。但是,施肥诱导的MAOC增长幅度较小,在低SOC含量的土壤中增加7%,高SOC含量的土壤中增加8%。

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图3氮肥对全球尺度旱地农田的POC和MAOC积累的预测


(3)10年N添加下4个实验区POC和MAOC的不同响应

四个长期施肥试验区的研究发现,土壤碳库对N添加的响应在很大程度上取决于初始SOC含量。根据初始SOC含量将4个试验区的土壤分为两类:贫C土壤和富C土壤。贫C土壤和富C土壤POC和MAOC含量的变化存在强烈对比,POC和MAOC含量对氮肥的响应可分为两类:POC累积响应和MAOC累积响应(图4)。进一步分析表明,氮肥对贫C土壤的POC含量有正向影响,与未施氮的土壤(N0)相比,POC含量平均增加了105%;然而,相对于N0,氮添加仅仅使富C土壤中的MAOC含量增加了15%,这表明氮肥在贫C土壤中能促进更多的POC积累;在富C土壤中则倾向于促进MAOC的增加(图5)。

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图4四个试验区域POC和MAOC对氮肥的响应


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图5长期施氮对碳库(POC、MAOC)起源、转化、稳定性以及动态关键指标的影响


(4)恢复农业用地的土壤SOC对于加强可持续农业生产和提供可行的缓解策略至关重要

目前根据土壤肥力水平评估氮肥对POC和MAOC的影响尚不充分,这阻碍了可持续农业的推进和固碳效益的优化。初始SOC含量通过直接作用于植物碳输入,以及间接作用于微生物转化、物理和矿物保护,影响氮诱导的POC和MAOC的变化(图6)。

在低SOC含量的土壤中,氮肥加强微生物化学计量不平衡,表现为碳和养分限制加剧,微生物分解代谢加强,不利于微生物残体的积累,更多的植物源碳得以保留,同时氮肥增加了土壤团聚体的稳定性,在团聚体保护增强作用下,植物源碳稳定,从而促进POC的积累。总体而言,氮添加对贫C土壤POC的正向作用取决于增加的根系生物量和木质素之间的相互作用、细胞外酶活性的改变以及强大的土壤团聚体保护。

在高SOC含量的土壤中,氮肥缓解微生物的化学计量不平衡,促进微生物合成代谢及残体碳的积累,并且高SOC含量的土壤矿物保护增强,进一步稳定残体碳,从而促进MAOC的增加。总体而言,在富含C土壤中,N诱导的MAOC积累主要是由于积累的残体量和矿物质稳定性的增加,结果强调了根系生物量、微生物特性和矿物质是影响富含C的土壤中N添加下MAOC水平积累的关键预测因子。

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6氮肥对不同肥力土壤碳库组分的来源-转化-稳定的影响模式图

# 结论

(1)结合全球荟萃分析与大陆尺度的田间实验结果分析,我们确定15 g C kg-1的初始SOC阈值控制了氮肥对POC和MAOC的影响。


(2)在SOC贫瘠的土壤(< 15 g C kg-1)中,氮肥增加了植物源C的输入并促进土壤团聚,有利于POC积累。


(3)在富含SOC的土壤中,氮肥刺激微生物代谢效率,导致更大的微生物残体的产生并通过矿物保护实现稳定,表现为更明显的MAOC累积。


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