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为探究华北平原农田土壤碳库下降问题，研究人员开展 34 年田间试验，分析无机肥（N、P、K）与秸秆还田（0–20 cm）对土壤性质、C-acq 酶活性、活性碳组分等的影响。发现 NPK + 秸秆显著提升 SOC，揭示平衡施肥结合秸秆还田的固碳机制。
华北平原农田土壤碳固存的 34 年探索：无机肥与秸秆还田的协同机制
在全球气候变化的背景下，土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）作为陆地碳库的核心组成部分，其动态平衡对缓解温室效应、维持土壤肥力至关重要。华北平原作为我国重要的粮食主产区，长期高强度农业生产依赖大量化肥投入，却面临土壤碳库持续下降的严峻挑战。尽管农业实践中无机施肥与秸秆还田被广泛应用于提升 SOC，但两者对 SOC 的调控机制，尤其是微观层面的作用路径 —— 如酶活性变化、活性碳组分转化、土壤团聚体结构演变及微生物功能基因的响应等，仍存在诸多未解之谜。阐明这些机制不仅能为区域碳固存提供理论支撑，更是实现 “藏粮于土” 可持续农业发展的关键。
为破解上述科学难题，中国科学院禹城综合试验站的研究团队开展了一项长达 34 年的田间定位试验（1990–2024 年）。该试验以冬小麦 - 夏玉米轮作系统为研究对象，设置 6 种处理：对照（CK）、NP（氮磷）、NK（氮钾）、PK（磷钾）、NPK（氮磷钾平衡施肥）和 NPKS（NPK + 秸秆还田），系统探究不同施肥模式对 SOC 及其驱动因子的影响。研究成果发表于国际期刊《Agriculture, Ecosystems & Environment》，为华北平原农田碳管理提供了重要科学依据。
研究技术方法
研究采用多学科交叉技术体系：
- 土壤理化分析：测定 SOC、总氮、总磷、pH、容重等基础理化性质，评估土壤肥力变化。
- 活性碳组分检测：通过物理化学分级法分离轻组有机碳（Light Fraction Organic Carbon, LFOC）、颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon, POC）、易氧化碳（Easily Oxidizable Carbon, EOC）和微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon, MBC），揭示碳库活性差异。
- 土壤酶活性测定：采用荧光底物法检测碳获取酶（C-acq 酶）活性，反映微生物分解碳的能力。
- 土壤团聚体分析：通过湿筛法测定团聚体粒径分布，计算平均重量直径（Mean Weight Diameter, MWD）和几何平均直径（Geometric Mean Diameter, GMD），评估土壤结构稳定性。
- 微生物组学技术：利用高通量测序分析微生物群落组成，结合定量 PCR 检测碳固定（如 cbbM）、碳降解（如 chiA）和甲烷代谢（如 pmoA）相关功能基因丰度，解析微生物功能特征。
研究结果
1. 长期施肥对土壤理化性质的影响
与初始土壤（1990 年）相比，所有处理均显著提升土壤总氮、总钾和速效钾含量，但容重、pH 和电导率呈下降趋势。值得注意的是，缺磷处理（NK）导致总磷和速效磷分别下降 43% 和 72%，凸显养分失衡对土壤肥力的负面影响。
2. 活性有机碳组分与 SOC 的动态关联
秸秆还田（NPKS）显著提升活性碳组分：MBC、POC、LFOC 和 EOC 分别较 CK 增加 62%、58%、49% 和 35%。这些活性碳库作为 SOC 的 “缓冲池”，其积累直接促进 SOC 总量提升 ——NPK 处理使 SOC 较 CK 增加 33%，而 NPKS 进一步提升至 68%。
3. 土壤团聚体结构的调控效应
NPK 和 NPKS 处理通过促进大团聚体（>2 mm）形成，显著提高土壤结构稳定性（MWD 和 GMD 分别增加 27% 和 22%）。大团聚体为 SOC 提供物理保护，减少其被微生物分解的风险，这一机制在秸秆还田处理中尤为显著。
4. 碳获取酶活性与微生物功能基因响应
秸秆还田显著增强 C-acq 酶活性（较 CK 增加 41%），而单一无机施肥影响微弱。微生物功能基因分析表明：NPK 处理同时上调碳固定（cbbM）和碳降解（chiA）基因丰度，NPKS 则主要促进碳降解基因（如 β- 葡萄糖苷酶基因）表达。值得关注的是，甲烷代谢基因（pmoA）丰度与 SOC 呈显著正相关，暗示甲烷循环在碳固存中的潜在作用。
5. 关键驱动因子的相对贡献
结构方程模型（SEM）显示，C-acq 酶活性对 SOC 的直接影响（标准化路径系数 0.48）显著高于土壤理化性质（0.21）、活性碳组分（0.33）或团聚体结构（0.29）。碳降解基因（如 chiA）和甲烷代谢基因（pmoA）对 SOC 的解释度达 57%，远超碳固定基因（23%），表明微生物分解代谢通路在长期碳固存中起主导作用。
研究结论与意义
本研究通过 34 年长期定位试验，揭示了华北平原农田 SOC 积累的双重驱动机制：
- 无机肥的基础作用：平衡施肥（NPK）通过优化土壤养分供给，促进作物碳输入并维持微生物功能多样性，为 SOC 积累奠定基础。
- 秸秆还田的强化效应：秸秆作为优质碳源，不仅直接增加活性碳库，还通过提升 C-acq 酶活性和大团聚体比例，加速碳的物理 - 生物化学固持过程。
研究首次明确，碳降解基因与甲烷代谢通路是 SOC 稳定的关键调控节点，颠覆了 “碳固定主导碳积累” 的传统认知。这一发现为农业碳管理提供了新视角：在保证养分平衡的前提下，通过秸秆还田激活微生物分解代谢网络，可实现 “碳输入 - 转化 - 固存” 的高效循环。对于华北平原等高强度农业区，推广 “NPK 平衡施肥 + 秸秆全量还田” 模式，不仅能提升土壤碳汇功能，还可同步改善土壤结构与肥力，为 “双碳” 目标下的粮食安全与生态保护协同发展提供了可行路径。
未来研究可进一步拓展微生物功能菌群与碳固存的定量关联，结合区域气候模型优化秸秆还田技术参数，推动基础研究向田间实践的高效转化。
