北美中部长期耕作系统中土壤有机质持久性机制的时空动态研究

针对农业土壤有机质(SOM)持续流失问题，美国威斯康星大学团队通过长期耕作系统试验，揭示了不同管理模式下微生物驱动SOM周转的时空规律。研究发现，牧场系统通过高质量碳输入(C:N)提升颗粒有机质(POM-C)和微生物活性，为可持续土壤管理提供了关键理论依据。

　　

北美中部肥沃的莫利溶土(Mollisols)曾拥有丰富的土壤有机质(SOM)，但自19世纪开垦以来，这些"黑金"已流失超50%，每年损失高达7.4 Mg ha^?1
。尽管轮作多样化、增加碳(C)输入等管理措施被广泛推广，SOM的恢复效果却参差不齐。这背后隐藏着关键科学谜题：微生物如何在不同耕作系统和土壤深度中调控SOM的周转与稳定？威斯康星大学团队依托建立于1990年的WICST长期试验站，首次系统揭示了微生物介导SOM动态的时空规律。

研究采用双时间点(生长季关键期)和双土层(0-15 cm/15-30 cm)采样策略，结合PLFA(磷脂脂肪酸分析)、氨基糖生物标志物(如GluN、MurA)和同位素示踪技术，分析了6种典型耕作系统(从谷物轮作到牧场)的微生物功能参数。通过测定颗粒有机质(POM)和矿质结合有机质(MAOM)的碳氮特征，关联微生物生长速率、碳利用效率(CUE)等指标，构建了"输入-微生物-稳定化"的完整证据链。

贡献性植物碳输入对SOM数量和质量的影响
数据显示，牧场系统在0-15 cm土层的POM-C含量显著高于其他系统67-128%，且POM C:N比值最低，证实高质量(低C:N)输入促进碳积累。深度分析揭示表层土壤的微生物活性对管理措施响应更敏感，而深层土壤的MAOM稳定性更强。

高质量碳输入是SOM维持和积累的关键
牧场系统展现出最高的微生物生长速率(增长23-58%)和真菌细菌比(F:B)，其氨基糖贡献的稳定碳占比达总有机碳的42-51%。值得注意的是，微生物CUE在生长季中期达到峰值，说明生物过程具有明显季节性脉冲特征。

结论与展望
该研究突破性地证明：① 牧场系统通过动物粪便和豆科植物实现碳输入质-量双优，驱动"微生物泵"高效转化POM为稳定MAOM；② 真菌主导的微生物群落通过necromass(死菌体)途径贡献过半持久性碳；③ 这些效应在生长季呈动态变化，15 cm以下土层MAOM稳定性更强。发表在《Agriculture, Ecosystems 》的这项成果，为设计"碳智慧"耕作制度提供了微生物尺度的理论框架，特别指出多年生牧草纳入轮作对北美农业碳中和的潜在价值。