草甸持续时间对表层土壤有机碳库及微生物代谢的影响研究

为探究草甸持续时间对土壤有机碳（SOC）库及微生物代谢的影响，研究人员以三种草基饲料系统为对象，开展 29 年田间实验。发现永久草甸（PG）显著提升表层 SOC、POC 和 MAOC 储量，且微生物碳利用效率（CUE）受深度和 pH、C:N 比影响。该研究为固碳及农业可持续提供参考。

　　

土壤碳库的奥秘：草甸管理如何影响土壤健康与碳循环？

土壤有机碳（SOC）是农业可持续发展的核心要素，其以颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）等形式存在，支撑着生态系统的碳平衡。然而，将草甸纳入耕作系统后，草甸持续时间（从数月到数十年不等）如何影响土壤剖面中的 SOC 库及微生物代谢过程，一直是学术界尚未完全解开的谜题。多数研究仅聚焦表层 20-30 厘米土壤，而深层土壤碳动态的研究长期匮乏，导致人们对农业实践与土壤碳储存的关系认知存在盲区。此外，微生物作为土壤碳循环的 “引擎”，其代谢效率（如碳利用效率 CUE）与草甸管理的关联机制也亟待澄清。

为填补这些研究空白，意大利都灵大学的研究团队开展了一项长达 29 年的田间实验。研究以西北意大利的典型农业区为基地，设置三种草基饲料系统：永久草甸（PG，持续 29 年）、四年轮作草甸（TG，与三年玉米单作轮替）和年度双季种植系统（DC，8 个月草甸与 4 个月玉米轮作），深入分析 0-90 厘米土壤剖面的 SOC 储量、组分分布（fPOC、oPOC、MAOC）及微生物代谢特征（CUE、酶活性等）。该研究成果发表于《Agriculture, Ecosystems》，为理解草甸管理的碳效应提供了关键数据。

研究方法概览

研究采用多维度技术手段：

1. 土壤采样与化学分析：分层采集土壤样本，测定 SOC、总氮（TN）、pH 等基础理化性质，通过密度分级法分离 fPOC、oPOC 和 MAOC 组分。
2. 微生物代谢分析：利用¹⁸O 同位素标记技术测定微生物碳利用效率（CUE），结合氯仿熏蒸提取法（CFE）评估微生物生物量碳（MBC），并通过荧光底物法检测 11 种碳降解酶活性（如 α- 葡萄糖苷酶、β- 木聚糖酶等）。
3. 显微与统计分析：扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）观察 POC 和 MAOC 的微观结构，运用线性混合效应模型、冗余分析（RDA）等统计方法解析影响因素。

研究结果解析

1. 草甸持续时间对 SOC 库的分层影响

• 表层土壤（0-30 cm）：PG 的 SOC、fPOC、oPOC 和 MAOC 储量显著高于 TG 和 DC，其中 0-15 cm 层差异最显著。PG 的表层 SOC 储量较 TG 和 DC 分别高 27% 和 28%，且 29 年间 PG 的 SOC 储量增长 34%，而 TG 和 DC 基本维持初始水平。
• 深层土壤（30-90 cm）：各系统的 SOC 储量均随深度递减，但草甸持续时间对深层 SOC 无显著影响。TG 和 DC 的深层 SOC 略高于 PG，可能与耕作导致的有机质下渗或玉米根系分布较深有关。

2. SOC 组分的垂直分布特征

• 表层优势组分：PG 的 0-15 cm 层以 fPOC 为主（占 SOC 的 10%），TG 和 DC 则以 oPOC 比例更高（6.3%-6.0%），反映出 PG 的新鲜有机质输入更多，而轮作系统的有机质更易被物理保护于土壤团聚体中。
• 深层稳定组分：深层土壤中 MAOC 占比高达 93%-96%，表明矿物结合是深层碳稳定的主要机制。SEM 观察显示，表层 oPOC 以植物残体为主，深层则以真菌菌丝等微生物衍生结构为主，揭示了不同深度碳稳定路径的差异。

3. 微生物代谢的深度依赖性

• CUE 的垂直梯度：CUE 随深度增加而升高，表层（0-15 cm）最低，深层（50-90 cm）最高，与土壤 pH 呈正相关（R2=0.36），与 C:N 比呈负相关（R2=0.24）。这表明深层低 C:N 比底物促使微生物代谢效率提升。
• 酶活性的分层差异：碳降解酶活性主要集中于表层，深层仅保留酯酶（如 nona、butyr）活性，与表层高 SOC、高微生物生物量（MBC）及代谢活性（qCO?）密切相关。冗余分析表明，酶活性差异主要由土壤深度驱动，而非草甸系统类型。

结论与意义

本研究揭示了草甸持续时间对土壤碳库的影响具有显著表层层依赖性：永久草甸通过减少耕作干扰、增加新鲜有机质输入，成为表层碳积累的 “引擎”，而短期轮作草甸和双季种植系统虽碳积累能力较弱，但能有效抑制碳流失。微生物代谢则主要受土壤深度调控，深层土壤的高 pH 和低 C:N 比环境促使微生物采用高效代谢策略，可能有利于稳定碳库（MAOC）的形成。

研究结果为农业碳管理提供了双重启示：其一，在可行范围内维持永久草甸可最大化表层碳固存；其二，轮作系统通过耕作和根系分布影响深层碳分布，其长期效应需结合土壤结构与微生物功能综合评估。此外，研究强调了深层土壤在碳循环中的重要性，呼吁未来研究加强对土壤剖面全层的关注，为精准制定农业固碳政策提供更全面的数据支撑。

（全文约 2000 字，基于原文关键数据与结论提炼，省略部分技术细节与讨论内容）