在草地上進行的集約化作物生產已經(jīng)向大氣釋放了大量的碳（C）。無論是最大限度地減少土壤擾動、多樣化的作物輪作、或重建多年生草原和整合牲畜是否可以減緩或扭轉這一趨勢仍然是高度不確定的。本研究在美國中北部通過田間試驗調查了有機碳的積累、以及顆粒（POM）和礦物相關（MAOM）有機質的分布，并評估了微生物性狀與這些變化的關系。

結果表明，將豆科植物或糞肥添加到一年生種植系統(tǒng)中提高樂POM-C、微生物生物量和微生物碳利用效率，但沒有顯著增加微生物殘體積累，以及MAOM-C或總SOC的存儲。多樣化、循環(huán)放牧的牧場管理有可能增加土壤中持久性碳，突出了管理良好的草原在智能型農業(yè)中的關鍵作用。

過去150年，現(xiàn)代農業(yè)耗盡了世界上許多耕地的土壤有機碳 (SOC) 。在農業(yè)土壤中建立土壤有機質 (SOM) 對于我們抵抗這種趨勢并滿足我們的需求至關重要。來自草地的黑沃土覆蓋地球表面約9.16億公頃，是北美、南美和歐亞大陸的農業(yè)中心地帶。自開始種植以來，這些黑沃土已釋放了約2Pg C。增強黑沃土中的SOM不僅可以抵消全球溫室氣體排放的一部分，而且還可以改善土壤健康，這是糧食生產、飲用水和生物多樣性等重要生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎。

模擬和概念建模表明，黑沃土的SOM積累潛力巨大，但這些土壤的集約化農業(yè)使用是否可以積累碳（C），并保持它相對較長的時間仍然存在不確定性。SOM由形成、持久性和功能不同的組分組成。減少耕作、多樣化作物輪作以及添加豆類和糞肥被認為是在農田中再生SOM的有希望的策略。但研究表明盡管它們似乎增加了相對未分解的顆粒有機物（POM）部分，這與改善土壤健康直接相關，但它們在建立更持久的礦物相關有機物（MAOM）和提高軟土中總碳儲量和持久性的能力一直存在爭議。

越來越多的證據(jù)表明，MAOM主要是微生物殘體與礦物表面結合形成的，因此促進有效微生物生長和大量壞死物質產生用于有機礦物結合能夠驅動土壤中持久碳的積累。基于此，本研究在威斯康星州綜合種植系統(tǒng)開展試驗，探究不同管理條件下土壤有機質的數(shù)量和組成及其與土壤微生物性狀的關系。

威斯康星州綜合種植系統(tǒng)由六個并列的常規(guī)和替代種植系統(tǒng)組成，其中包括三個谷物系統(tǒng)：1）連續(xù)單一栽培玉米（Maize）系統(tǒng)，每年耕作，2）免耕玉米-大豆（MS）輪作，3）有機管理的玉米-大豆-小麥（MSW）輪作，其在小麥之后具有豆類作物覆蓋。和三種飼草系統(tǒng)：4）玉米-苜蓿-苜蓿-苜蓿（MAAA）輪作，5）有機玉米-燕麥/苜蓿/苜蓿（MOA）輪作，和6）具有混合豆類與禾草的多樣化、輪牧的牧場。

?

對不同系統(tǒng)有機質組分（POM、MAOM），微生物生物量與CUE特征，微生物殘體，以及土壤胞外酶測定，探究不同管理措施對持久碳積累的影響

一、管理良好的牧場土壤總碳和與礦物質相關的碳含量最高

1.（1）減少耕作、輪作多樣化或在這些土地添加豆類或肥料不太可能建立 MAOM-C 和 SOC，而土地管理為牧場有能力做到這一點。

（2）與Maize、MS、MSW 和 MAAA 相比，牧場中的 SOC 儲量提高了15% 至 28%， MAOM-C 比所有其它系統(tǒng)高 18% 至 29%。

（3）Maize和MS的POM-C\MAOM-C或SOC沒有差異。與Maize和MS相比，基于苜蓿的系統(tǒng)(MOA 和 MAAA)中的POM-C和N顯著更高，并且在牧場中最高。

2.（1）Maize和MS的POM-C\MAOM-C或SOC沒有差異。與Maize和MS相比，基于苜蓿的系統(tǒng)(MOA 和 MAAA)中的POM-C和N顯著更高，并且在牧場中最高。

（2）基于苜蓿的系統(tǒng)POM的C:N ratio顯著低于Maize和MS。

（3）有機谷物系統(tǒng)(MSW)具有豆科覆蓋作物和肥料添加，但總和地下C輸入較少，也具有比Maize和MS更高的POM-C和N以 及更低的 POM C:N 比。

二、在一年生作物系統(tǒng)中摻入豆類和肥料可增強微生物的生長，但不能增加微生物殘體或MAOM

1.牧場僅脂肪族C-H官能團顯著高于其它系統(tǒng)，芳香族和 C-O 官能團在牧場最低。除牧場外，其它系統(tǒng)四種官能團均無顯著差異。

2.Maize和MS在CUE、MBC或氨基糖含量(微生物壞死物質的生物標志物)方面沒有差異。與基于谷物的系統(tǒng)相比，基于苜蓿的系統(tǒng)具有更高的微生物CUE和MBC，但沒有更高的微生物壞死物質積累。

3.與MAOM-C的趨勢相似，微生物殘體生物標志物(氨基糖)的含量在牧場中最高，但在其他系統(tǒng)中沒有顯著差異。

4.微生物殘體與脂肪族碳是MAOM-C主要貢獻者。CUE和POM C:N之間存在負相關關系，表明使用C底物的微生物生理潛力受輸入的C:N比率調節(jié)。

分段結構方程模型顯示，MAOM-C與土壤中積累的微生物殘體數(shù)量直接相關，但與微生物生物量或CUE無關，表明添加低C:N豆科植物和糞肥增強微生物CUE可能并不總是導致微生物壞死物質或 MAOM-C 的積累增加。

三、在管理良好的牧場中，MAOM的形成比一年生作物系統(tǒng)更有效，礦化較慢

MSW和MOA中較高的PPO活性和 MOA中較高的PER活性表明在這些低施肥系統(tǒng)中SOM分解比高施肥系統(tǒng)和牧場更快，這表明微生物在這些系統(tǒng)中，壞死物質或MAOM 可能會快速礦化,牧場多酚氧化酶與過氧化物酶活性與其它系統(tǒng)相比較低

黑沃土的一年生谷物或半年草料系統(tǒng)中實施免耕、輪作、豆類和肥料添加可能會改善土壤健康，但不太可能使其表土(0 至 30 cm)實現(xiàn)大氣碳匯。

結合低C:N輸入可能會增強POM和微生物C循環(huán)，但不會導致微生物壞死和MAOM-C增加，這可能是因為更高的SOM礦化。

除了減少侵蝕和養(yǎng)分流失、增加滲透和儲水以及增強生物多樣性外，管理良好的多年生放牧草地有可能在黑沃土中形成持久的土壤碳，使其成為智能型農業(yè)的重要組成部分。