作物残体质量、氮肥施用量与CNPS化学计量比对分散性底土微生物呼吸及碳库的影响机制研究

本研究针对分散性底土中有机质提升困难的问题，通过室内培养实验探究了不同残体质量（低养分高粱残体R1与高养分残体R2）、氮肥水平（无氮、半量氮、全量氮）及养分组合（N、N+S、N+S+P）对土壤碳组分（总有机碳TOC、矿物结合有机碳MAOC、颗粒有机碳POC和惰性有机碳ROC）及微生物呼吸的影响。结果表明，残体添加显著提高TOC、MAOC和POC含量，全量氮与平衡养分（N+S+P）处理可协同促进微生物呼吸与碳稳定化过程，为退化土壤碳固存提供了理论依据。

　　

在全球农业可持续发展面临严峻挑战的背景下，土壤有机质（SOM）的退化已成为限制作物产量和生态系统健康的核心问题。土壤有机质不仅承担着养分循环、土壤结构稳定和生物活性维持的关键功能，还对缓解温室气体排放具有重要作用。然而，在分散性土壤（Dispersive Subsoil）这类物理结构不良、根系生长受限的退化土壤中，有机质的积累与稳定尤为困难。全球约有3.4亿公顷土地受分散性土壤问题困扰，其低孔隙度、高钠离子含量等特性严重阻碍了水分与养分的运移，进一步限制了植物残体输入和微生物驱动的碳转化过程。

传统农业管理中，作物残体还田被视为提升土壤有机碳的重要措施，但许多研究表明，在养分匮乏的土壤中，残体分解后向稳定碳库（如矿物结合有机碳MAOC和惰性有机碳ROC）的转化效率极低。近年来，一种创新性的综合残体与养分管理策略（IRNM）被提出，其核心是通过外源添加氮、磷、硫等养分，以特定化学计量比（C:N:P:S = 10000:833:200:143）配合残体还田，模拟微生物介导的稳定有机质形成过程。然而，这一策略在分散性底土中的适用性、不同残体质量的作用机制以及养分添加对碳库动态的影响尚不明确。

为此，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的Andrew T. Regan等人开展了一项精细控制的室内培养实验，旨在揭示残体质量、氮肥用量及养分化学计量比对分散性底土微生物呼吸与碳库组分的影响。研究成果发表于农林科学权威期刊《Soil and Tillage Research》，为退化土壤的碳管理提供了重要理论依据和实践方向。

本研究主要采用以下方法：

1. 1.
   土壤样本取自澳大利亚新南威尔士州福布斯地区农田的分散性底土（10–20 cm深度），经干燥、破碎、过筛后预处理；
2. 2.
   设计三因素实验：残体处理（无残体、低养分高粱残体R1、高养分残体R2）、氮水平（无氮、半量氮、全量氮）及养分组合（N、N+S、N+S+P）；
3. 3.
   通过Respicond VII呼吸仪监测56天内每小时CO₂释放动态；
4. 4.
   利用中红外光谱（MIR）技术预测土壤总有机碳（TOC）、矿物结合有机碳（MAOC）、颗粒有机碳（POC）和惰性有机碳（ROC）含量；
5. 5.
   采用统计学方法（ANOVA、Tukey HSD、相关性分析）处理数据。

3.1 残体性质分析

两种高粱残体（R1和R2）的养分含量存在显著差异：R2具有更高的氮、磷、硫含量及更低的C:N、C:P、C:S和木质素氮比，表明其更易被微生物分解利用。

3.2 残体处理对碳库的影响

添加残体显著提升了所有碳库组分：TOC从基线0.57%升至0.69%，MAOC从0.44%升至0.51%，POC从0.09%升至0.13%。无残体处理中，仅Half N(+S+P)处理表现出TOC显著增加，说明养分单独作用有限。

3.3 微生物呼吸响应

残体添加显著刺激了CO₂释放，尤其在培养前期（1–7天）。R2残体的呼吸速率高于R1，印证了其更易分解的特性。至第8周，各组呼吸速率趋于一致。

3.4 氮肥用量的作用

全量氮处理显著提高了微生物呼吸强度，且在与残体联用时效应更持久。全量氮和半量氮均促进了MAOC和ROC的积累，但对TOC和POC无显著影响，表明氮素主要驱动稳定碳库的形成。

3.5 硫磷养分的协同效应

在残体存在下，N(+S+P)处理显著提高了呼吸速率和MAOC、POC、ROC含量，而单独添加硫（N(+S)）效果不显著。这表明磷和硫的协同作用对微生物碳转化至关重要。

3.6 呼吸与碳库的相关性

整体上，CO₂累积释放量与TOC、MAOC、POC呈正相关（R²=0.23–0.32）。在无残体组中，N(+S+P)处理显示呼吸与POC、ROC正相关；而在残体添加组中，养分控制处理呈现呼吸与MAOC负相关，N(+S+P)则转为正相关，印证了平衡养分促进微生物碳固持的假说。

本研究通过多因子实验证明，在分散性底土中，作物残体还田结合外源养分添加可有效调节微生物活动与碳库动态。其中，氮素是驱动碳稳定化的最关键因素，全量氮处理通过增强微生物活性，促进残体碳向MAOC和ROC转化；而磷、硫的协同添加进一步优化了养分化学计量比，减少了原生有机质的矿化损失（ priming effect）。

值得注意的是，残体质量（如养分含量、木质素比例）的细微差异显著影响分解速率，提示实际应用中需根据残体特性精准配施养分。中红外光谱（MIR）技术在本研究中成功实现了碳库组分的高通量预测，为大规模土壤碳监测提供了可行手段。

综上，IRNM策略在分散性底土中不仅有望提升土壤碳固存潜力，还能通过改善微生物代谢效率减少温室气体排放，为退化土壤的生态修复提供了理论与实践双支撑。未来研究需结合田间试验与同位素示踪技术，进一步验证碳流向与长期稳定性。