长期禾豆间作通过增强微生物与底物抗性缓解气候变暖引发的土壤碳流失

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Long-term intercropping mitigates warming-induced carbon loss via enhancing microbial and substrate resistance

本研究通过十年田间试验与室内培养，揭示了禾豆间作系统通过提升土壤有机碳（SOC）持久性（如烷基碳、芳香碳）和微生物网络复杂性（如关键类群），显著降低SOC分解的温度敏感性（Q10值达14.1–18.2%），为发展气候智能型农业（Climate-Smart Agriculture）提供理论依据。

　　

Highlight

长期禾豆间作通过增强微生物和底物抗性来缓解气候变暖引起的碳损失。

Empirical evidence of long-term cereal-legume intercropping on SOC sequestration

在两项长达十年的田间实验中（图1a-b），与各自的单作（玉米单作MM和小麦单作WW）相比，玉米-大豆（MS）和小麦-大豆（WS）间作显著提高了总氮（TN）和无机氮（IN）水平。然而，只有MS对土壤有机碳（SOC）储量显示出显著的积极影响（图1c-e）。具体而言，MS和WS下的SOC浓度分别达到12.3 g/kg和12.1 g/kg，相对于MM和WW分别增加了6.9%（P<0.05）和6.0%（P>0.05）。未观察到SOC化学组成（通过核磁共振测定）的显著差异。

Positive effects of cereal–legume intercropping on substrate availability and microbial communities

总体而言，长期禾豆间作被发现能增强土壤养分有效性，特别是氮（N）和磷（P），这反过来支持了更强的微生物活性和周转（图1）。间作很可能代表了一条促进SOC固存的关键途径。豆科植物的生物固氮作用为土壤提供了额外的氮输入。这一独特特性不仅促进了土壤氮富集，还减少了微生物对土壤有机碳的"氮挖掘"（N mining），从而有助于SOC的积累。此外，增加的根系分泌物和残留物输入改变了SOC的化学组成，促进了更具顽固性（recalcitrant）的碳组分（如烷基碳和芳香碳）的形成，这些组分更能抵抗微生物分解。同时，间作改善了土壤团聚体结构，通过物理保护（包裹在团聚体内）和化学保护（与矿物结合）机制进一步稳定了SOC。这些底物可用性方面的改善共同增强了SOC的持久性（persistence）。

在微生物方面，间作系统显著提高了土壤微生物丰度（增加12.0–39.8%）和α-多样性（增加2.4–8.9%）。更重要的是，通过关键类群（keystone taxa）的富集，间作调节了微生物共现网络，使其复杂性（complexity）和稳定性（stability）增加。这种更复杂、更稳定的微生物网络被认为能够更好地抵抗环境扰动（如升温），从而有助于维持SOC分解过程的稳定。

Conclusion

本研究表明，持续的禾豆间作对三个基本土壤特性产生了协同的遗留效应：增强的养分有效性、改善的SOC持久性以及丰富的微生物多样性和网络复杂性。这些相互关联的改变共同有助于缓冲SOC与气候变暖之间的反馈，最终减少了全球变暖情景下农业土壤的碳损失。通过系统地将碳固存（carbon sequestration）机制与气候减缓（climate mitigation）潜力联系起来，我们的研究强调了长期作物多样化在实现可持续农业和联合国可持续发展目标（SDGs）方面的关键作用。