
原名:Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide
譯名:土壤有機碳閾值控制肥料對全球農田碳積累的影響 ?
期刊:Nature Communications
IF:14.7
發表日期:2025.3
第一作者:凌俊 ?中國農業大學資源與環境科學學院養分利用與管理國家重點實驗室
恢復土壤肥力和緩解全球變暖的舉措在于重建土壤有機碳(SOC)。氮(N) 肥對作物產量至關重要,由于顆粒有機碳(POC)和礦物結合有機碳(MAOC)對氮肥施用的響應不同,氮肥施用對土壤碳積累的影響難以預測。為了闡明這些影響,我們通過全球薈萃分析與大陸規模的田間試驗相結合,研究初始SOC含量如何與氮肥相互作用來影響全球農田土壤的SOC積累。
(1)氮肥施用促進了植物生產力和大團聚體的形成,從而增加了POC的積累和穩定;
(2)在土壤SOC匱乏的土壤中,資源化學計量和微生物養分需求之間的不平衡阻礙了微生物殘體碳(MBC)的形成和POC的分解,從而削弱了MAOC的積累;
(3)較高的微生物代謝效率和微生物殘體量,再加上礦物保護,增加了富含SOC土壤中MAOC的含量。
(1)為了確定初始SOC含量是否影響POC和MAOC響應氮肥的全球變化,我們編制了一個數據庫,包括來自全球118個野外站點的609個POC和MAOC變化的配對觀察值(圖1),涵蓋了非常廣泛的初始SOC含量范圍(0.79~46.1g kg-1);

圖1研究地點的全球分布
(2)中國四個試驗地點位于曲周(QZ,9.49 g kg-1)、長武(CW,9.51 g kg-1)、四平(SP,16.3 g kg-1)和雅安(YA,17.4 g kg-1)4個不同土壤有機碳含量的耕地,在隨機完全區組設計中建立相同的肥料實驗,每個地點重復4次;
(3)測定指標:SOC、TN、POC、MAOC、木質素酚、氨基糖、團聚體分級、13C-固體核磁共振、水解酶、α-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CBH)、N-乙?;?β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、磷酸酶(ACP和ALP)、陽離子交換量、鐵鋁氧化物
(1)不同初始SOC含量下氮肥對POC和MAOC的影響
全球閾值分析評估了POC和MAOC對不同初始SOC含量的響應,確定了其響應表現出突變的特定SOC水平(圖2),初始SOC介導氮肥對土壤功能碳庫影響的閾值為POC:14.8 g kg-1;MAOC:13.2 g kg-1。具體來說,初始SOC含量小于14.8 g kg -1時,POC急劇上升,然后略有下降。但在初始SOC含量較低時,MAOC急劇下降,當超過13.2 g kg -1土壤SOC閾值后,MAOC隨土壤SOC的增加而略有下降。

圖2全球耕地土壤初始SOC介導的氮肥對POC和MAOC積累的影響
(2)當前施氮情景下全球農田POC和MAOC的變化
全球預測表明,在過去十年,相比未施肥,氮肥使POC和MAOC分別增加26%和8.3%(圖3)。具體而言,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,施肥誘導的MAOC增長幅度較小,在低SOC含量的土壤中增加7%,高SOC含量的土壤中增加8%。

圖3氮肥對全球尺度旱地農田的POC和MAOC積累的預測
(3)10年N添加下4個實驗區POC和MAOC的不同響應
四個長期施肥試驗區的研究發現,土壤碳庫對N添加的響應在很大程度上取決于初始SOC含量。根據初始SOC含量將4個試驗區的土壤分為兩類:貧C土壤和富C土壤。貧C土壤和富C土壤POC和MAOC含量的變化存在強烈對比,POC和MAOC含量對氮肥的響應可分為兩類:POC累積響應和MAOC累積響應(圖4)。進一步分析表明,氮肥對貧C土壤的POC含量有正向影響,與未施氮的土壤(N0)相比,POC含量平均增加了105%;然而,相對于N0,氮添加僅僅使富C土壤中的MAOC含量增加了15%,這表明氮肥在貧C土壤中能促進更多的POC積累;在富C土壤中則傾向于促進MAOC的增加(圖5)。

圖4四個試驗區域POC和MAOC對氮肥的響應

圖5長期施氮對碳庫(POC、MAOC)起源、轉化、穩定性以及動態關鍵指標的影響
(4)恢復農業用地的土壤SOC對于加強可持續農業生產和提供可行的緩解策略至關重要
目前根據土壤肥力水平評估氮肥對POC和MAOC的影響尚不充分,這阻礙了可持續農業的推進和固碳效益的優化。初始SOC含量通過直接作用于植物碳輸入,以及間接作用于微生物轉化、物理和礦物保護,影響氮誘導的POC和MAOC的變化(圖6)。
在低SOC含量的土壤中,氮肥加強微生物化學計量不平衡,表現為碳和養分限制加劇,微生物分解代謝加強,不利于微生物殘體的積累,更多的植物源碳得以保留,同時氮肥增加了土壤團聚體的穩定性,在團聚體保護增強作用下,植物源碳穩定,從而促進POC的積累??傮w而言,氮添加對貧C土壤POC的正向作用取決于增加的根系生物量和木質素之間的相互作用、細胞外酶活性的改變以及強大的土壤團聚體保護。
在高SOC含量的土壤中,氮肥緩解微生物的化學計量不平衡,促進微生物合成代謝及殘體碳的積累,并且高SOC含量的土壤礦物保護增強,進一步穩定殘體碳,從而促進MAOC的增加??傮w而言,在富含C土壤中,N誘導的MAOC積累主要是由于積累的殘體量和礦物質穩定性的增加,結果強調了根系生物量、微生物特性和礦物質是影響富含C的土壤中N添加下MAOC水平積累的關鍵預測因子。

圖6氮肥對不同肥力土壤碳庫組分的來源-轉化-穩定的影響模式圖
(1)結合全球薈萃分析與大陸尺度的田間實驗結果分析,我們確定15 g C kg-1的初始SOC閾值控制了氮肥對POC和MAOC的影響。
(2)在SOC貧瘠的土壤(< 15 g C kg-1)中,氮肥增加了植物源C的輸入并促進土壤團聚,有利于POC積累。
(3)在富含SOC的土壤中,氮肥刺激微生物代謝效率,導致更大的微生物殘體的產生并通過礦物保護實現穩定,表現為更明顯的MAOC累積。
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