[科研前线│EGM-5]土壤有机碳阈值控制氮肥对农田碳库积累的影响

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氮肥是作物生长发育的重要限制性因子，作为农业生产的重要投入，对提高作物产量和保障粮食供应具有重要意义。通过提升土壤有机碳（SOC）含量，进而促进耕地质量，也是促进生产力提升的重要途径。因此土壤SOC提升与优化氮肥管理对粮食生产和耕地质量提升具有重要意义。目前大量研究表明土壤固碳对氮肥施用的响应存在较大差异，这可能归因于土壤碳库[颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）]对氮肥的差异响应，导致碳库的积累与稳定性呈现不同变化趋势。

近日，《Nature Communications》在线发表了中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队田静副教授与西南大学陈新平教授团队合作的研究论文（Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide）。该研究基于长期氮肥联网试验结合全球尺度整合分析，探究了不同初始土壤有机碳（SOC）背景下氮肥对土壤碳库的影响机制，同时提出了全球农田土壤氮肥促稳定碳库积累的土壤SOC本底阈值。

通过对全球118个农田站点的数据分析，首次确定15 g C kg?1土壤有机碳（SOC）是氮肥影响碳积累的关键阈值（图1）：

图1 研究地点的全球分布，以及在全球旱作耕地土壤中，施氮与初始土壤有机碳（SOC）之间的相互作用对颗粒有机碳和矿物结合有机碳（POC和MAOC）的影响

贫碳土壤（SOC＜15 g C kg?1）：氮肥促进植物根系生长和团聚体形成，使颗粒有机碳（POC）积累增加105%；

富碳土壤（SOC＞15 g C kg?1）：氮肥提升微生物代谢效率（qCO?下降13.6%），矿物结合有机碳（MAOC）增加15%。

研究团队在4个中国典型农田（曲周、长武、四平、雅安）开展十年定位试验（图2），使用PP Systems公司EGM-5便携式土壤碳通量测量系统（图3），揭示了氮肥调控微生物代谢效率的关键证据：

样品处理：取30g土壤（60%持水量）置于250ml培养罐；

连续监测：在25℃恒温下，于第1、3、5、7、14、21、28天用EGM-5注射模式测量CO?释放量。

图2 长期氮肥试验中POC和MAOC的响应差异

富碳土壤：氮肥使qCO?显著降低13.6%，微生物将更多碳转化为生物量而非呼吸消耗；

贫碳土壤：氮肥加剧微生物碳限制，qCO?上升，阻碍碳向矿物结合有机碳（MAOC）转化。

图3 植物-微生物-土壤互作驱动POC和MAOC的差异响应

基于机器学习模型（梯度提升决策树），团队绘制了全球10km分辨率碳库变化图（图4）：

当前氮肥施用使全球农田POC增加26%，MAOC增加8.3%；

区域差异显著：东亚/北美：POC增幅最大（27-26%）非洲：POC响应微弱（中性）；

富碳土壤中MAOC提升更持久：其矿物保护机制可抵抗气候变暖的分解效应，需采用差异化施肥策略。

图4 全球农田POC和MAOC对氮肥的响应预测

贫碳土壤（如华北平原）：增施氮肥→快速提升POC→短期改善土壤结构，需配合秸秆还田增强保护；

富碳土壤（如西南黑土区）：控氮优化→促进微生物碳泵→长期固碳，警惕过量氮肥加剧酸化破坏矿物保护。

图5 氮肥影响SOC积累的概念模型

本研究揭示了土壤有机碳（SOC）初始含量是调控氮肥对农田碳汇效应影响的关键因素，并提出了15 g C kg?1的关键阈值。研究结果表明，在SOC含量低于该阈值的土壤中，氮肥主要通过促进植物碳输入和团聚体形成显著增加颗粒有机碳（POC）；而在SOC含量高于该阈值的土壤中，氮肥则通过提高微生物代谢效率、增加微生物残体产量并强化矿物保护作用，显著提升矿物结合有机碳（MAOC）的积累。本研究深化了农田氮肥施用调控土壤碳库积累的理解，也为高效的农田碳氮管理提供了重要的理论支撑和实践指导，有助于提升耕地质量和生产力，促进农业绿色可持续发展。