华北平原潮土有机碳固存的多途径机制：保护性耕作对土壤碳库数量与活性的调控

华北平原长期农业管理不当导致土壤有机碳（SOC）严重流失，中国农业科学院团队通过16年保护性耕作（免耕/少耕+秸秆还田）试验，揭示秸秆还田比耕作方式对SOC积累（增加3.46–3.62 g kg?1）和活性（提升34.9–40.8%）影响更显著，阐明土壤物理保护（容重、孔隙度）与微生物调控（细菌/真菌残体碳）协同作用机制，为退化农田碳汇提升提供理论依据。

　　

华北平原作为中国最重要的粮食生产基地，长期高强度耕作导致潮土（Fluvo-aquic soils）有机碳库严重衰减，土壤退化面积占比高达60%。这类砂质碱性土壤先天具有碳固存能力弱、团聚体稳定性差的特点，加之传统耕作加速有机碳矿化，使得区域土壤生产力持续下降。更严峻的是，全球约9%-15%耕地虽已采用保护性耕作（Conservation tillage），但其核心组分——耕作强度与秸秆管理对碳固存（Carbon sequestration）的协同机制仍不明确。

针对这一科学难题，中国农业科学院团队依托华北平原封丘农业生态实验站16年长期定位试验，系统解析了保护性耕作（免耕/少耕+秸秆还田）通过多途径调控潮土有机碳库的机制。研究发现，秸秆还田对土壤有机碳（SOC）库的增益效应显著超越耕作方式：相较于秸秆移除处理，秸秆还田使0-10 cm表层SOC浓度提升3.46-3.62 g kg^?1，活性碳组分增加34.9%-40.8%。而减少耕作频次主要通过降低矿化速率，促进稳定碳组分积累，其中免耕处理使容重增加12.3%，通气孔隙减少19.8%，有效抑制了好氧微生物活性。

关键技术方法
研究采用多尺度技术联用策略：1）物理分组法分离大团聚体（>250 μm）中的颗粒有机碳（POC）和矿质结合有机碳（MAOC）；2）氨基糖标记技术量化细菌/真菌残体碳对SOC的贡献；3）高通量测序分析微生物群落结构；4）同步辐射显微CT表征三维孔隙网络；5）长期原位培养测定碳矿化动力学。

研究结果

有机碳积累特征
• 耕作-秸秆交互效应：秸秆还田下免耕处理SOC增幅达0.63 g kg^?1，且碳活性降低15.3%，表明物理保护与生物化学稳定性协同作用。
• 碳组分分配：秸秆输入使大团聚体内细颗粒有机碳（fPOM）含量提升82%，MAOC增加37%，直接驱动总SOC增长。

土壤理化与生物特性
• 孔隙架构重构：少耕处理使持水孔隙（30-300 μm）体积减少24%，导致氧气扩散受限，降低纤维素分解菌丰度。
• 微生物群落响应：秸秆还田使放线菌（Actinobacteria）相对丰度提高1.8倍，其分泌的疏水性代谢产物促进碳稳定化。

微生物残体碳贡献
• 来源特异性：免耕主要增加革兰氏阳性菌残体碳（+29%），而秸秆还田同步提升真菌几丁质衍生碳（+43%）和细菌肽聚糖碳（+31%）。

结论与意义
该研究首次阐明保护性耕作在潮土中通过"物理-生物-化学"三重机制协同固碳：1）耕作减量化通过压实效应抑制矿化；2）秸秆输入激活微生物合成稳定代谢产物；3）真菌菌丝网络促进大团聚体形成。这一发现突破了传统"化学难降解性主导碳持久性"的认知，为设计区域特异性固碳措施（如砂质土优先采用免耕+高C/N比秸秆）提供科学依据。论文成果被《Soil and Tillage Research》选为高影响力研究，相关参数已纳入中国农田碳汇核算模型。