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氮肥是作物生長發(fā)育的重要限制性因子，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要投入，對提高作物產(chǎn)量和保障糧食供應(yīng)具有重要意義。通過提升土壤有機碳（SOC）含量，進而促進耕地質(zhì)量，也是促進生產(chǎn)力提升的重要途徑。因此土壤SOC提升與優(yōu)化氮肥管理對糧食生產(chǎn)和耕地質(zhì)量提升具有重要意義。目前大量研究表明土壤固碳對氮肥施用的響應(yīng)存在較大差異，這可能歸因于土壤碳庫[顆粒有機碳（POC）和礦物結(jié)合有機碳（MAOC）]對氮肥的差異響應(yīng)，導(dǎo)致碳庫的積累與穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同變化趨勢。

近日，《Nature Communications》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院張福鎖院士團隊田靜副教授與西南大學(xué)陳新平教授團隊合作的研究論文（Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide）。該研究基于長期氮肥聯(lián)網(wǎng)試驗結(jié)合全球尺度整合分析，探究了不同初始土壤有機碳（SOC）背景下氮肥對土壤碳庫的影響機制，同時提出了全球農(nóng)田土壤氮肥促穩(wěn)定碳庫積累的土壤SOC本底閾值。

通過對全球118個農(nóng)田站點的數(shù)據(jù)分析，首次確定15 g C kg?1土壤有機碳（SOC）是氮肥影響碳積累的關(guān)鍵閾值（圖1）：

圖1 研究地點的全球分布，以及在全球旱作耕地土壤中，施氮與初始土壤有機碳（SOC）之間的相互作用對顆粒有機碳和礦物結(jié)合有機碳（POC和MAOC）的影響

貧碳土壤（SOC＜15 g C kg?1）：氮肥促進植物根系生長和團聚體形成，使顆粒有機碳（POC）積累增加105%；

富碳土壤（SOC＞15 g C kg?1）：氮肥提升微生物代謝效率（qCO?下降13.6%），礦物結(jié)合有機碳（MAOC）增加15%。

研究團隊在4個中國典型農(nóng)田（曲周、長武、四平、雅安）開展十年定位試驗（圖2），使用PP Systems公司EGM-5便攜式土壤碳通量測量系統(tǒng)（圖3），揭示了氮肥調(diào)控微生物代謝效率的關(guān)鍵證據(jù)：

樣品處理：取30g土壤（60%持水量）置于250ml培養(yǎng)罐；

連續(xù)監(jiān)測：在25℃恒溫下，于第1、3、5、7、14、21、28天用EGM-5注射模式測量CO?釋放量。

圖2 長期氮肥試驗中POC和MAOC的響應(yīng)差異

富碳土壤：氮肥使qCO?顯著降低13.6%，微生物將更多碳轉(zhuǎn)化為生物量而非呼吸消耗；

貧碳土壤：氮肥加劇微生物碳限制，qCO?上升，阻礙碳向礦物結(jié)合有機碳（MAOC）轉(zhuǎn)化。

圖3 植物-微生物-土壤互作驅(qū)動POC和MAOC的差異響應(yīng)

基于機器學(xué)習(xí)模型（梯度提升決策樹），團隊繪制了全球10km分辨率碳庫變化圖（圖4）：

當前氮肥施用使全球農(nóng)田POC增加26%，MAOC增加8.3%；

區(qū)域差異顯著：東亞/北美：POC增幅最大（27-26%）非洲：POC響應(yīng)微弱（中性）；

富碳土壤中MAOC提升更持久：其礦物保護機制可抵抗氣候變暖的分解效應(yīng)，需采用差異化施肥策略。

圖4 全球農(nóng)田POC和MAOC對氮肥的響應(yīng)預(yù)測

貧碳土壤（如華北平原）：增施氮肥→快速提升POC→短期改善土壤結(jié)構(gòu)，需配合秸稈還田增強保護；

富碳土壤（如西南黑土區(qū)）：控氮優(yōu)化→促進微生物碳泵→長期固碳，警惕過量氮肥加劇酸化破壞礦物保護。

圖5 氮肥影響SOC積累的概念模型

本研究揭示了土壤有機碳（SOC）初始含量是調(diào)控氮肥對農(nóng)田碳匯效應(yīng)影響的關(guān)鍵因素，并提出了15 g C kg?1的關(guān)鍵閾值。研究結(jié)果表明，在SOC含量低于該閾值的土壤中，氮肥主要通過促進植物碳輸入和團聚體形成顯著增加顆粒有機碳（POC）；而在SOC含量高于該閾值的土壤中，氮肥則通過提高微生物代謝效率、增加微生物殘體產(chǎn)量并強化礦物保護作用，顯著提升礦物結(jié)合有機碳（MAOC）的積累。本研究深化了農(nóng)田氮肥施用調(diào)控土壤碳庫積累的理解，也為高效的農(nóng)田碳氮管理提供了重要的理論支撐和實踐指導(dǎo)，有助于提升耕地質(zhì)量和生產(chǎn)力，促進農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。