在草地上進行的集約化作物生產(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)查了有機碳的積累、以及顆粒（POM）和礦物相關(guān)（MAOM）有機質(zhì)的分布，并評估了微生物性狀與這些變化的關(guān)系。

結(jié)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(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵作用。

過去150年，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耗盡了世界上許多耕地的土壤有機碳 (SOC) 。在農(nóng)業(yè)土壤中建立土壤有機質(zhì) (SOM) 對于我們抵抗這種趨勢并滿足我們的需求至關(guān)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(nóng)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(chǎn)、飲用水和生物多樣性等重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)。

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(nóng)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(nóng)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(guān)，但它們在建立更持久的礦物相關(guān)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(jié)合形成的，因此促進有效微生物生長和大量壞死物質(zhì)產(chǎn)生用于有機礦物結(jié)合能夠驅(qū)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(zhì)的數(shù)量和組成及其與土壤微生物性狀的關(guān)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。

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對不同系統(tǒng)有機質(zhì)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(zhì)相關(guān)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(zhì)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(zhì)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(guān)關(guān)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(diào)節(jié)。

分段結(jié)構(gòu)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(guān)，但與微生物生物量或CUE無關(guān)，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(zhì)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(zhì)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(jié)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(nóng)業(yè)的重要組成部分。