恢復(fù)土壤肥力和緩解全球變暖的舉措在于重建土壤有機(jī)碳（SOC）。氮（N） 肥對(duì)作物產(chǎn)量至關(guān)重要，由于顆粒有機(jī)碳（POC）和礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）對(duì)氮肥施用的響應(yīng)不同，氮肥施用對(duì)土壤碳積累的影響難以預(yù)測(cè)。為了闡明這些影響，我們通過(guò)全球薈萃分析與大陸規(guī)模的田間試驗(yàn)相結(jié)合，研究初始SOC含量如何與氮肥相互作用來(lái)影響全球農(nóng)田土壤的SOC積累。

（1）氮肥施用促進(jìn)了植物生產(chǎn)力和大團(tuán)聚體的形成，從而增加了POC的積累和穩(wěn)定；

（2）在土壤SOC匱乏的土壤中，資源化學(xué)計(jì)量和微生物養(yǎng)分需求之間的不平衡阻礙了微生物殘?bào)w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?bào)w量，再加上礦物保護(hù)，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(yīng)氮肥的全球變化，我們編制了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括來(lái)自全球118個(gè)野外站點(diǎn)的609個(gè)POC和MAOC變化的配對(duì)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(diǎn)的全球分布

（2）中國(guó)四個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)位于曲周（QZ，9.49 g kg-1）、長(zhǎng)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(gè)不同土壤有機(jī)碳含量的耕地，在隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)中建立相同的肥料實(shí)驗(yàn)，每個(gè)地點(diǎn)重復(fù)4次；

（3）測(cè)定指標(biāo)：SOC、TN、POC、MAOC、木質(zhì)素酚、氨基糖、團(tuán)聚體分級(jí)、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(yáng)離子交換量、鐵鋁氧化物

（1）不同初始SOC含量下氮肥對(duì)POC和MAOC的影響

全球閾值分析評(píng)估了POC和MAOC對(duì)不同初始SOC含量的響應(yīng)，確定了其響應(yīng)表現(xiàn)出突變的特定SOC水平（圖2），初始SOC介導(dǎo)氮肥對(duì)土壤功能碳庫(kù)影響的閾值為POC：14.8 g kg-1；MAOC：13.2 g kg-1。具體來(lái)說(shuō)，初始SOC含量小于14.8 g kg -1時(shí)，POC急劇上升，然后略有下降。但在初始SOC含量較低時(shí)，MAOC急劇下降，當(dāng)超過(guò)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(dǎo)的氮肥對(duì)POC和MAOC積累的影響

（2）當(dāng)前施氮情景下全球農(nóng)田POC和MAOC的變化

全球預(yù)測(cè)表明，在過(guò)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(dǎo)的MAOC增長(zhǎng)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(duì)全球尺度旱地農(nóng)田的POC和MAOC積累的預(yù)測(cè)

（3）10年N添加下4個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)POC和MAOC的不同響應(yīng)

四個(gè)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳庫(kù)對(duì)N添加的響應(yīng)在很大程度上取決于初始SOC含量。根據(jù)初始SOC含量將4個(gè)試驗(yàn)區(qū)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(qiáng)烈對(duì)比，POC和MAOC含量對(duì)氮肥的響應(yīng)可分為兩類：POC累積響應(yīng)和MAOC累積響應(yīng)（圖4）。進(jìn)一步分析表明，氮肥對(duì)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(duì)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(jìn)更多的POC積累；在富C土壤中則傾向于促進(jìn)MAOC的增加（圖5）。

圖4四個(gè)試驗(yàn)區(qū)域POC和MAOC對(duì)氮肥的響應(yīng)

圖5長(zhǎng)期施氮對(duì)碳庫(kù)（POC、MAOC）起源、轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)的影響

（4）恢復(fù)農(nóng)業(yè)用地的土壤SOC對(duì)于加強(qiáng)可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提供可行的緩解策略至關(guān)重要

目前根據(jù)土壤肥力水平評(píng)估氮肥對(duì)POC和MAOC的影響尚不充分，這阻礙了可持續(xù)農(nóng)業(yè)的推進(jìn)和固碳效益的優(yōu)化。初始SOC含量通過(guò)直接作用于植物碳輸入，以及間接作用于微生物轉(zhuǎn)化、物理和礦物保護(hù)，影響氮誘導(dǎo)的POC和MAOC的變化（圖6）。

在低SOC含量的土壤中，氮肥加強(qiáng)微生物化學(xué)計(jì)量不平衡，表現(xiàn)為碳和養(yǎng)分限制加劇，微生物分解代謝加強(qiáng)，不利于微生物殘?bào)w的積累，更多的植物源碳得以保留，同時(shí)氮肥增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，在團(tuán)聚體保護(hù)增強(qiáng)作用下，植物源碳穩(wěn)定，從而促進(jìn)POC的積累?？傮w而言，氮添加對(duì)貧C土壤POC的正向作用取決于增加的根系生物量和木質(zhì)素之間的相互作用、細(xì)胞外酶活性的改變以及強(qiáng)大的土壤團(tuán)聚體保護(hù)。

在高SOC含量的土壤中，氮肥緩解微生物的化學(xué)計(jì)量不平衡，促進(jìn)微生物合成代謝及殘?bào)w碳的積累，并且高SOC含量的土壤礦物保護(hù)增強(qiáng)，進(jìn)一步穩(wěn)定殘?bào)w碳，從而促進(jìn)MAOC的增加?？傮w而言，在富含C土壤中，N誘導(dǎo)的MAOC積累主要是由于積累的殘?bào)w量和礦物質(zhì)穩(wěn)定性的增加，結(jié)果強(qiáng)調(diào)了根系生物量、微生物特性和礦物質(zhì)是影響富含C的土壤中N添加下MAOC水平積累的關(guān)鍵預(yù)測(cè)因子。

圖6氮肥對(duì)不同肥力土壤碳庫(kù)組分的來(lái)源-轉(zhuǎn)化-穩(wěn)定的影響模式圖

（1）結(jié)合全球薈萃分析與大陸尺度的田間實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，我們確定15 g C kg-1的初始SOC閾值控制了氮肥對(duì)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(jìn)土壤團(tuán)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(dǎo)致更大的微生物殘?bào)w的產(chǎn)生并通過(guò)礦物保護(hù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，表現(xiàn)為更明顯的MAOC累積。

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