残留物的质量以及耕作方式是否会影响氮在土壤有机质不同组分中的分配？

《Soils and Foundations》：Do residue quality and tillage systems modify nitrogen partitioning into different soil organic matter fractions?

作物残体氮素分配受耕作系统与残体质量双重影响。通过1?N标记发现，传统耕作下氮向颗粒有机质（POM）分配更高（35%-79%），且低C/N残体（大豆）更易稳定于SOM组分。耕作系统与残体质量交互作用显著，NT系统下残体氮素向POM和MAOM的分配差异更大。

　　本研究旨在探讨不同质量的作物残余物在不同耕作系统下如何分配到土壤有机质（SOM）的各个组分中，尤其是颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM）。作物残余物转化为土壤有机质是一个复杂的过程，其中碳（C）和氮（N）的分配并不遵循直接或可预测的模式。通过比较传统的耕作方式（CT）和免耕方式（NT）以及使用同位素标记的玉米和大豆残余物，研究揭示了耕作系统和作物残余物质量对氮分配的重要影响。

在研究中，我们观察到经过一年的处理后，土壤有机质中氮的来源比例（%NDR）在不同条件下差异显著。例如，在CT条件下，大豆残余物的%NDR达到79%，而在NT条件下，玉米残余物的%NDR为35%。这表明，不同的耕作方式和作物类型会影响氮的分配情况。玉米残余物的氮在POM中的回收率高于大豆，而大豆残余物则在MAOM中的贡献比例更大，平均高出7.7%。此外，POM中的碳含量在残余物添加后迅速增加，尤其是在CT条件下，玉米残余物的碳增加量是其他处理的两倍。而在NT条件下，大豆残余物的氮含量在POM中的变化幅度更大，显示出其更高的分解速率和更高效的氮释放能力。

研究还发现，某些因素对SOM的稳定性起着关键作用。例如，传统耕作方式可能会促进残余物中氮的快速稳定，而免耕方式则可能更有利于氮的长期保留。然而，这些结果并不完全支持先前的假设，尤其是在MAOM中，耕作方式的影响不如残余物质量明显。此外，残余物的质量（如C:N比）对POM和MAOM的形成和稳定起着重要作用。高C:N比的残余物（如玉米）在分解过程中可能导致暂时的氮固定，而低C:N比的残余物（如大豆）则更容易释放氮。

在农业系统中，不同的管理实践可以通过三种相互关联的机制影响SOM的积累。首先，通过改变进入土壤的残余物的数量和质量（如C:N比）来影响SOM的形成。高质量的残余物，如大豆，因其较低的C:N比，更容易被微生物分解并转化为微生物生物量，从而成为稳定SOM的重要前体。相比之下，高C:N比的残余物（如玉米）分解较慢，可能导致暂时的氮固定。其次，管理实践可以通过影响分解者群落的活动及其对原生SOM的矿化速率，进而影响SOM的动态变化。最后，管理实践会影响残余物转化为不同稳定性和易分解性的SOM组分的速率，以及稳定化过程的效率，这取决于微生物活动和土壤性质，如粘土含量和矿物相互作用。

研究还指出，C和N的动态变化在作物残余物转化为SOM的过程中起着核心作用。虽然这些过程是相互关联的，但它们的路径和结果却存在根本差异。C的动态变化主要由分解过程主导，大约70%的残余物中的碳通过微生物呼吸以二氧化碳的形式释放。而N的损失则相对较小，因为其矿化、固定和潜在保留的复杂路径使得N的动态变化更加难以预测。作物残余物的质量，特别是其C:N比，是决定残余物分解速率和SOM形成效率的关键因素。然而，土壤性质（如质地、pH值和微生物群落组成）也对C和N的动态变化产生重要影响。大多数SOM预测模型，如RothC和Century，通常只关注C的动态变化，而忽略了N的动态变化，尽管已有证据表明N的转化（如矿化和固定）在SOM稳定化过程中起着至关重要的作用。

耕作实践对SOM的动态变化有显著影响，主要是通过影响残余物的位置和土壤物理性质。传统耕作方式（CT）会将残余物引入土壤剖面，促进其快速分解和二氧化碳的释放，同时减少表层残余物覆盖，这可能增加土壤侵蚀的风险。相比之下，免耕方式（NT）会保留残余物在土壤表层，减缓其分解速率，增强稳定SOM的形成。这些差异在不同质量的残余物系统中尤为重要，因为高C:N比的残余物可能在免耕系统下获得更好的保护，从而更有效地稳定化。

在分析SOM的动态变化时，区分不同稳定性的有机质组分是至关重要的。通过粒径进行的SOM物理分馏，可以区分具有不同滞留时间的有机质组分，有助于理解作物残余物中碳和氮的稳定化过程。颗粒有机质（POM）包含不同物理保护程度的有机质池，从自由POM到被包裹的POM，每种都表现出对管理实践的不同敏感性。自由POM由于不受土壤团聚体的保护，更容易受到耕作和残余物输入的影响，而被包裹的POM则因物理保护而分解较慢。SOM中POM和MAOM池的大小受到多种因素的影响，如土壤质地和矿物学。这些变量决定了土壤对有机质的物理保护和稳定能力，从而调节这些组分的形成和矿化。

本研究还探讨了免耕和传统耕作系统对POM和MAOM动态变化的影响。尽管有大量研究，但目前在文献中尚未达成关于残余物质量和耕作系统对SOM稳定化过程的具体影响的共识。例如，一些研究认为高C:N比的残余物可能更难被微生物分解，并更倾向于稳定化为MAOM，而另一些研究则指出低C:N比的残余物可能更高效地转化为稳定的MAOM组分。此外，虽然有大量文献探讨了残余物质量和耕作方式对SOM稳定化的影响，但大多数研究仅关注单一因素或在受控条件下进行，这可能无法充分反映实际农业条件下残余物衍生氮的稳定化动态。

研究的主要发现包括：1）作物残余物中的氮在颗粒有机质中的稳定化过程与颗粒有机质的矿化过程同时发生；2）氮的直接稳定化过程与矿物结合有机质的矿化过程同时发生，这一过程受到残余物输入的刺激；3）低C:N比的残余物在SOM及其各个组分中比高C:N比的残余物更有效地保留。这些结果为理解作物残余物在不同管理实践下的稳定化机制提供了新的视角，并强调了在农业实践中优化残余物管理和土壤保护措施的重要性。

研究还指出，作物残余物的质量和耕作系统同样影响颗粒有机质的动态变化，因为它们影响残余物的分解过程。一些研究表明，高C:N比的残余物在颗粒有机质中的滞留时间更长，而低C:N比的残余物则更短。在免耕系统下，颗粒有机质的积累和稳定可能更为显著，因为其减少了残余物的损失机制。此外，颗粒有机质的动态变化可能受到其与土壤团聚体的物理结合的影响，这种结合可以调节其周转和稳定化过程。研究表明，促进土壤团聚的管理实践，如免耕，可能增强颗粒有机质的物理保护，从而促进其在土壤矩阵中的积累和稳定。

在矿物结合有机质方面，该组分对作物系统管理变化的敏感性较低。尽管有传统理论认为，结构或低密度化合物的降解会形成稳定的SOM，但近年来的研究表明，作物残余物可以通过两种主要途径贡献于SOM的形成。第一种途径是在分解的早期阶段，可溶性成分的释放有助于矿物结合有机质的形成，可能是通过微生物代谢或与矿物组分的结合。第二种途径是在分解的后期阶段，残留物的结构成分可能通过物理转移形成颗粒有机质。此外，耕作系统也会改变矿物结合有机质的动态变化，因为耕作操作导致的团聚体破碎会改变矿物结合有机质的物理保护，从而促进其矿化。

通过同位素标记技术结合SOM的分馏，可以更深入地了解残余物衍生氮在SOM组分中的稳定化过程。研究表明，残余物的质量（如C:N比、木质素含量）和环境条件（如土壤pH值、温度）对POM和MAOM中氮的滞留和转化有显著影响。高质量的残余物（如大豆）可能更有效地促进氮在MAOM中的稳定化，而高C:N比的残余物（如玉米）可能导致氮在POM中的暂时固定。此外，保护性耕作实践可能通过减少土壤扰动和增强促进氮稳定化的微生物过程，提高残余物衍生氮在POM和MAOM中的积累。然而，对于高C:N比残余物的稳定化仍存在一些分歧，一些研究认为这些残余物可能更难被微生物分解，并更倾向于稳定化为MAOM，而另一些研究则指出低C:N比的残余物可能更高效地转化为稳定的MAOM组分。

本研究的结论表明，在实验条件下，我们观察到了以下几点：1）初步拒绝了假设1，因为在POM中，传统耕作方式（CT）下的%NDR高于免耕方式（NT），但这一趋势在MAOM中并不明显。MAOM主要受到残余物质量的影响，而非耕作方式；2）部分支持了假设2，即在POM和MAOM中，大豆残余物的%NDR始终高于玉米残余物。这些结果为农业实践中如何优化残余物管理和土壤保护措施提供了新的依据，并强调了在不同耕作系统下，作物残余物质量对SOM稳定化过程的重要性。

通过本研究，我们进一步认识到，理解作物残余物在不同管理实践下的稳定化机制对于改善土壤健康和减少温室气体排放具有重要意义。不同质量的残余物在不同耕作系统下的表现差异，提示我们需要更加综合地考虑土壤性质、微生物活动和管理实践对SOM形成和稳定的影响。同时，研究结果也表明，传统模型在预测SOM稳定化过程中可能忽略了氮的动态变化，这可能影响模型的准确性。因此，未来的SOM预测模型需要更加全面地考虑碳和氮的相互作用，以及不同管理实践对SOM动态变化的具体影响。

此外，研究还强调了在农业实践中推广保护性耕作方式的重要性。免耕系统不仅有助于减少土壤侵蚀，还能促进稳定SOM的形成，从而改善土壤健康和提高碳固存能力。同时，不同作物类型的残余物在免耕和传统耕作系统下的表现差异，提示我们需要根据作物类型和土壤条件，制定相应的管理策略。例如，在免耕系统下，低C:N比的作物残余物可能更容易释放氮，而高C:N比的作物残余物可能需要更长的时间才能稳定化。

总之，本研究通过分析不同质量的作物残余物在不同耕作系统下的氮分配和稳定化过程，揭示了作物残余物质量、耕作方式和土壤性质对SOM形成和稳定的重要影响。研究结果不仅有助于理解作物残余物在不同管理实践下的稳定化机制，也为农业实践中优化残余物管理和土壤保护措施提供了科学依据。这些发现对于全球气候变化应对、土壤健康维护和可持续农业发展具有重要的参考价值。