在长达56年的长期免耕黑土（Vertisol）试验中，颗粒状有机物与矿物相关有机物的碳矿化过程及其对温度的敏感性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Carbon mineralization and temperature sensitivity of particulate versus mineral associated organic matter in a 56-year long-term no-till Vertisol

SOC矿化速率顺序为POM > bulk soil > MAOM，且Q10在POM和MAOM中更高。残茬保留（RR）显著提高bulk soil Q10，免耕（NT）在早期降低POM Q10，氮肥（N90）在后期降低POM Q10。土壤pH和C:N比是关键调节因素。研究强调需分SOC组分评估碳封存，管理措施与土壤性质共同影响Q10动态。

　　土壤有机碳（SOC）的矿化速率对理解土壤碳-气候反馈机制以及SOC的固存具有重要意义。土壤有机碳通常被划分为不同的组分，如颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM），这些组分在不同管理实践下的矿化行为和温度敏感性（Q10值）可能表现出显著差异。然而，目前关于这些过程的研究，特别是在高黏土含量的Vertisol农业生态系统中，仍较为有限。因此，本研究利用一项为期56年的长期田间试验，探讨了不同管理措施对SOC矿化和其Q10值的影响，特别是针对SOC的各组分。试验包括耕作方式（免耕NT和常规耕作CT）、残余物管理（残余物保留RR和残余物焚烧RB）以及氮肥施用量（0、N0和N90）等处理，采用随机完全区组设计，旨在评估这些管理措施对SOC矿化及其Q10值的综合影响。

研究发现，SOC矿化速率按照POM > 土壤总有机碳（SOC） > MAOM的顺序排列。在土壤总有机碳中，残余物保留（RR）的Q10值显著高于残余物焚烧（RB），但其Q10值仍显著低于POM和MAOM。免耕（NT）在矿化过程的早期阶段（前21天）显著降低了POM的Q10值，而在矿化过程的晚期阶段（21-63天）氮肥施用量（N90）显著降低了MAOM的Q10值。通过相关性分析和结构方程模型（SEM）发现，C:N比和pH值在管理措施对矿化的影响中起着中介作用。对于MAOM，基质可得性对其Q10值有显著影响，而POM的Q10值则主要由C质量（C:N比）决定。这表明在高黏土含量的Vertisol中，需要同时考虑SOC的各组分来评估矿化和Q10值的动态变化。研究结果强调了在不同农业制度下，关注特定SOC组分和管理措施对于提高长期碳固存的重要性。

在农业生态系统中，管理措施如耕作或残余物管理会通过改变SOC的输入和矿化速率来影响土壤碳固存过程。免耕（NT）和残余物保留（RR）作为常见的保护性耕作措施，已被广泛采用，覆盖全球约14.7%的耕地。这些措施有助于控制土壤侵蚀和维持土壤结构，同时还能提高SOC的固存能力，尤其是在表层土壤中。然而，免耕虽然可能通过促进土壤团聚体形成来减少SOC矿化损失，但其效果受土壤层和实验持续时间的影响。相比之下，常规耕作（CT）会破坏土壤团聚体，使更多SOC暴露于矿化过程中，从而减少微生物分解的物理保护。残余物保留通过增加有机碳输入，可能提高SOC含量，但同时也可能引入外源性基质（高有机碳但低氮含量），从而引发原生效应（priming effect），改变碳输入与矿化损失之间的平衡。残余物焚烧（RB）虽然会将大部分碳挥发，但仍有约7-20%的碳残留在土壤中作为黑碳或火源有机质，这种组分化学稳定性高，不易被微生物分解。氮肥施用是另一种常见的管理措施，可以提高作物产量并增加SOC含量，尤其是在与其他管理措施（如免耕或残余物保留）结合使用时。然而，氮肥对Q10值的影响并不一致，有的研究显示其增加，有的则显示减少或无显著影响，这取决于土壤特性（如pH值、土壤类型和碳输入性质）。

土壤的物理保护作用在管理措施影响SOC稳定性和矿化过程中不可忽视。物理保护包括与土壤矿物结合和被土壤团聚体包裹，可以减少SOC矿化及其温度敏感性，通过降低基质的可得性。POM和MAOM在形成和稳定机制上的差异导致其组成不同，进而影响其矿化行为。虽然POM-C的简单分馏已被识别，但对POM-C和MAOM-C矿化的研究仍较为有限，大多数研究基于分馏后的处理或简单使用化学分散前的分馏方法，这些方法忽略了分馏过程中有机质在不同组分之间的转移，或可能的微生物效应。这些问题可以通过使用土壤悬浮液作为接种物来恢复微生物活性，以及使用水进行分散来克服。然而，目前仅有少数研究关注了在接种后对POM-C和MAOM-C矿化温度敏感性的评估。此外，POM-C和MAOM-C对升温的响应不同，如Q10值的变化所示，因此仍需进一步研究不同管理措施及其相互作用对SOC各组分Q10值的影响。

本研究评估了免耕、残余物保留和氮肥施用等管理措施对SOC矿化及其Q10值的影响。通过收集自一项56年长期试验的表层土壤（0-10厘米），我们探讨了耕作、残余物管理和氮肥对SOC组分、碳矿化和Q10值的影响及其与土壤性质的关系。我们假设：1）POM-C的矿化和Q10值将高于MAOM-C；2）免耕、残余物保留和氮肥施用将减少SOC矿化和Q10值。研究的主要目标包括：1）调查不同管理措施下SOC、POM-C和MAOM-C的含量；2）量化管理措施对SOC矿化和Q10值的影响；3）评估土壤性质，尤其是pH值和C:N比，以及不同管理措施对SOC矿化及其Q10值的可能调控路径。

实验地点位于澳大利亚昆士兰的Hermitage研究站，属于亚热带地区，年均温为17.5°C，年均降水量为685毫米。土壤类型为Vertisol，其中0-10厘米土层的黏土含量为65%，粉砂为27%，砂为8%。实验自1968年12月开始，包含12种处理，其中4种重复。研究中选取了N0和N90两种氮肥处理，分别代表无氮肥和90公斤氮肥/公顷。在收获后，RR处理将所有作物残余物保留在土壤表面，而NT处理则不进行翻耕，CT处理则将残余物翻入土壤中。RB处理则是在收获后立即焚烧残余物。氮肥在播种时施用于两行作物之间的中间位置，深度约为5厘米。由于土壤中的磷和钾被认为是足够的，因此未施用磷钾肥料。实验中，小麦（Triticum aestivum L.）一直是主要作物，除了1975-1977年的3年期间种植大麦（Hordeum vulgare L.）外，还有5年因播种时缺乏降雨而未种植作物。

在土壤采样和处理方面，于2024年3月7日，使用不锈钢50毫米直径的内核采样器在每个小区内按照五点采样法采集0-10厘米深度的土壤样品，以考虑空间变异性。本研究仅选择了N0和N90两种氮肥处理，因此使用了8种处理：CTRB N0、CTRB N90、CTRR N0、CTRR N90、NTRB N0、NTRB N90、NTRR N0和NTRR N90。每小区随机采集5个土壤样品，进行混合后均质化，并分成三个子集。其中一个子集在35°C下干燥至恒重后研磨过2毫米筛，用于分析。第二个子集在105°C下干燥至恒重以确定土壤含水量。第三个子集则在4°C下保存，用于制备土壤接种物。为了最小化POM和MAOM分馏过程中可能对微生物数量和多样性的负面影响，我们制备了土壤接种物，并在开始培养前将接种物添加到POM和MAOM中。为了确保土壤接种物中微生物的多样性，我们混合了所有32个新鲜土壤样品，并在25°C下培养10天，达到田间持水量（56%）。培养后，将土壤接种物与水按1:10的比例混合，并轻轻搅拌60分钟，过滤后得到2微米孔径的玻璃微纤维滤纸。土壤接种物对土壤组分中碳输入的贡献被认为相对于原生碳来说可以忽略不计。此外，本实验的先前结果表明，管理措施对微生物细菌和真菌多样性的影响不显著，因此支持使用混合接种物。POM和MAOM组分在培养前以30%的质量比接种土壤接种物，剩余的26%由去离子水补充至田间持水量。

在培养实验和Q10计算方面，土壤总有机碳和POM、MAOM组分的碳矿化量通过培养过程中释放的CO2量来确定。具体而言，不同组分和土壤总样品在黑暗条件下，按照田间持水量，在15°C和25°C两种温度下进行培养。由于POM的量有限，其水保持能力无法单独调整，因此所有组分均采用相同的田间持水量。培养过程中，土壤样品被放置在279毫升的密闭塑料罐中，配备三通阀以测量罐内气体的CO2含量。在培养过程中，通过关闭罐子并在2-24小时内测量CO2浓度。每次测量前，移除罐子盖子以确保罐内CO2气体恢复至环境水平。同时，使用三个空罐来测量环境CO2水平。在培养结束后，所有含有土壤的罐子再次以松散的方式放置盖子。通过定期称重罐子并添加去离子水以补偿水分损失，维持土壤含水量。培养结束后，所有土壤总样品罐子在35°C下保持一段时间，用于后续的氮矿化测量（NH4+ -N和NO3- -N浓度）。由于POM的量有限，仅在土壤总样品中测量氮矿化。

SOC矿化量在土壤总和POM、MAOM组分中通过理想气体方程进行计算。由于培养过程中CO2浓度在取出培养箱后测量，此时罐内温度与培养温度一致，因此在计算中引入了两种不同的温度（288K和298K）以进行基于质量的CO2计算。为了计算累积碳矿化，首先根据一级方程拟合整个培养期间的矿化速率曲线，然后对培养起始到结束的整个时期进行积分，以获得累积矿化量。对于Q10值的计算，采用了“等时”方法，即通过比较25°C和15°C下培养结束时或每次测量时的总碳矿化量来计算。具体公式为：Q10 = C25/C15，其中C25/C15表示在25°C和15°C下培养结束或每次测量时的总碳矿化量（mg CO2-C/kg土壤或组分），T25/15表示两种培养温度，即25°C和15°C。因此，公式可以简化为Q10 = C25/C15。

在土壤分析方面，土壤总有机碳（SOC）和总氮（TN）含量以及POM（POM-C和POM-N）和MAOM（MAOM-C和MAOM-N）组分的含量通过LECO CN分析仪（LECO Corporation, Michigan, USA, Model CN 928系列）进行分析，通过氧化燃烧在1250°C下测量释放的CO2和N2。由于本研究中使用的土壤的无机碳含量低于0.1%（Daroch et al., 2024），因此测量的总碳含量被视为总有机碳。土壤pH值通过1:5土壤水比进行测量。矿质氮（NH4+ -N和NO3- -N）通过2M KCl溶液（1:5土壤:溶液）提取，并使用SEAL自动分析仪进行比色分析。

在统计分析方面，使用三向方差分析（ANOVA）评估耕作、残余物管理和氮肥对碳矿化、Q10值和其他土壤指标的影响及其相互作用。当没有显著的处理交互作用时，也使用单向ANOVA进行处理间的显著性检验。最小显著差异（LSD）测试用于处理间的后验检验。皮尔逊相关性分析用于探索碳矿化和Q10值与其他土壤性质之间的关系。在进行结构方程模型（SEM）之前，由于TN与SOC在土壤总中高度相关，因此移除了TN。所有统计分析均使用R软件（R Core Team, 2023）进行，所有图形设计均使用“ggplot2”包（Wickham, 2016）进行。使用“lavaan”包（Rosseel, 2012）进行SEM分析。

研究结果表明，管理措施、耕作方式、残余物管理和氮肥对SOC矿化和Q10值的影响存在显著差异。SOC和TN含量在两种温度下均与POM和MAOM组分的C和N含量显著正相关（0.55 < r < 0.68, p < 0.01）。此外，SOC、TN和矿质氮含量在土壤总中与累积碳矿化显著正相关。土壤pH值对SOC矿化的影响也显著，其中较高的pH值与较低的SOC矿化率相关。对于POM组分，C:N比和pH值对SOC矿化和Q10值的影响显著。同时，POM的含量与土壤总中的碳矿化量显著正相关。然而，尽管残余物管理和氮肥对SOC矿化有显著影响，但它们对pH值的影响并不显著，这可能是因为残余物管理和氮肥对pH值的影响在本研究中未表现出显著变化。

在土壤pH值、矿质氮和含水量方面，只有氮肥显著影响土壤pH值和矿质氮含量，其中N90处理显著降低了pH值，并显著提高了NH4+ -N和NO3- -N含量。土壤含水量在耕作方式和残余物管理及其相互作用下没有显著变化，但N0处理的含水量高于N90处理。这些结果表明，氮肥对土壤pH值和矿质氮含量的影响显著，而对含水量的影响较小。

碳矿化和Q10值的驱动因素方面，SOC和TN含量与POM和MAOM组分的C和N含量在两种温度下均呈显著正相关。此外，SOC、TN和矿质氮含量在土壤总中与累积碳矿化显著正相关。土壤pH值和C:N比对POM和MAOM组分的碳矿化和Q10值有显著的负相关作用。POM的含量与土壤总中的碳矿化量呈显著正相关，这表明基质的可得性是影响矿化过程的重要因素。SEM分析进一步揭示了管理措施对碳矿化和其Q10值的影响路径。对于土壤总，残余物管理对Q10值有显著影响，而氮肥的影响则不显著。这可能是因为氮肥的初始显著影响未能持续到整个培养期。对于POM组分，虽然单独的管理措施对碳矿化没有显著影响，但耕作和残余物管理的交互作用在两种培养温度下均显著，并且在CTRR处理中表现出最高的碳矿化量，而在CTRB和NTRR处理中表现出最低的碳矿化量。这表明在培养的早期和晚期，管理措施对碳矿化和Q10值的影响存在显著差异。

在Q10值和其动态变化方面，管理措施对SOC矿化和Q10值的影响在不同培养阶段有所不同。在土壤总中，残余物保留（RR）显著提高了Q10值，而氮肥处理在培养的早期阶段显著提高了Q10值。在POM组分中，氮肥处理在培养的晚期阶段显著降低了Q10值，而在土壤总中，残余物保留（RR）在培养的早期阶段显著提高了Q10值。这些结果表明，管理措施对SOC矿化和Q10值的影响具有时间和组分特异性。

在讨论部分，研究指出残余物保留和氮肥施用显著增加了土壤总和MAOM组分的累积碳矿化，而POM组分表现出最高的碳矿化速率，反映了其较高的碳可得性和较低的矿物保护。值得注意的是，残余物保留仅在土壤总中显著提高了Q10值，而在POM和MAOM组分中则表现出较低的Q10值。免耕和氮肥处理在培养的早期和晚期阶段分别显著降低了POM组分的Q10值，主要归因于碳质量的提高和碳氮比的平衡。因此，基质可得性和碳氮比是影响POM和MAOM组分Q10值的关键因素，这表明在制定提高土壤碳固存的策略时，需要考虑不同SOC组分对干扰、养分可用性和植物残余物输入的反应。

在结论部分，研究强调了残余物保留和氮肥施用对SOC矿化及其Q10值的显著影响，特别是在土壤总和MAOM组分中。同时，免耕和氮肥处理在不同培养阶段对POM组分的Q10值产生了显著的降低作用，主要归因于碳质量的提高和碳氮比的平衡。因此，基质可得性和碳氮比是影响POM和MAOM组分Q10值的关键因素，这表明在制定提高土壤碳固存的策略时，需要考虑不同SOC组分对干扰、养分可用性和植物残余物输入的反应。未来的研究应更加关注微生物群落在调节不同SOC组分Q10值中的作用。