城市人工技术土壤中碳氮循环的艺术主导研究：碳海绵试点项目揭示植物群落对土壤形成的调控机制

为解决城市土壤退化与可持续发展需求，纽约科学馆联合多学科团队通过艺术主导的"碳海绵"项目，创新性地研究了不同植物群落对人工技术土壤(CTs)中碳(C)氮(N)循环的影响。研究采用清洁冰川沉积物与城市堆肥构建24个实验床，发现向日葵提升土壤碳和铵态氮，覆盖作物混合增加硝态氮，而多样化种植组合显著促进微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)积累。该研究为城市农业土壤构建提供了科学依据，同时开创了艺术与科学协同推动环境研究的新范式。

　　

随着全球城市化进程加速，城市土壤面临严重退化、污染和生态功能丧失的挑战。联合国预测到205年全球68%人口将居住在城市，而城市扩张导致地表封闭和土壤资源枯竭。传统土壤修复方法成本高昂且不可持续，这促使科学家探索创新解决方案——人工技术土壤(Constructed Technosols, CTs)。这类由废弃物和工程材料构建的新型土壤，既能规避原有污染风险，又能通过设计优化生态功能。然而，CTs的养分动态机制，特别是碳氮循环这一支撑土壤健康的核心过程，仍缺乏系统研究。

在此背景下，纽约科学馆(New York Hall of Science)的研究团队开展了一项突破性研究。他们创造性地将艺术实践与土壤科学相结合，通过"碳海绵"试点项目，揭示了不同植物群落对CTs形成的调控规律。这项发表在《Geoderma》的研究，不仅为城市可持续农业提供了科学依据，更开创了跨学科合作的新模式。

研究人员采用氯仿熏蒸培养法测定微生物生物量碳(MBC)，通过比色法分析铵态氮(NH₄⁺)和硝态氮(NO₃^-)，结合元素分析仪测定总碳氮含量，并运用X射线荧光光谱(XRF)检测重金属含量。实验设计包含8种种植方案（向日葵、食用作物、覆盖作物及其组合）的24个重复样方，在21个月内进行5次采样监测。

3.1 植物生长

所有植物在CTs中均表现良好，多样化组合(向日葵+食用作物+覆盖作物)的生物量最高(11.1 kg/m²)。向日葵建立深根系，食用作物(秋葵和酸浆)成功结果，而豆科覆盖作物(如毛苕子)表现出固氮潜力。

3.2 土壤特性

初始混合物(33%堆肥)呈现中性pH(7.0)和40%持水量。重金属含量远低于EPA标准，证实材料安全性。随时间推移，多样化种植使pH显著降低至6.1，表明生物活动改变土壤化学性质。

3.3 碳氮与微生物活动

总碳增加37%至2.4%，微生物生物量碳(MBC)峰值达500 μg C/g土壤。硝态氮在夏季达40 μg N/g，冬季降至20 μg N/g，呈现明显季节动态。微生物呼吸从12降至6.5 μg C/g/天，反映有机质稳定化。

3.4 多变量分析

主成分分析显示时间解释47%变异，微生物生物量氮(MBN)与第一轴相关性最强(r=0.84)。多样化种植区与裸地对照在碳氮参数上差异显著(p<0.05)。

3.5 多样化vs裸地对比

多样化种植使土壤碳绝对值增加0.5%，微生物生物量碳(MBC)提高64%，证实植物输入促进土壤形成。裸地仅靠堆肥分解导致碳增幅有限(7%)。

这项研究首次系统揭示了城市CTs中碳氮循环的动态规律：向日葵通过深根系促进碳汇和铵积累；豆科覆盖作物增强硝化作用；而多样化种植产生协同效应，使微生物生物量碳氮分别增加20%和30%。艺术与科学的创新结合不仅解决了技术难题，更创造了知识传播的新途径——通过博物馆展览、工作坊和"土壤力量"互动项目，将复杂科学概念转化为公众可参与的行动。

研究结果对全球城市可持续发展具有深远意义：首先，证实利用城市废弃物(清洁沉积物和堆肥)可构建高产农业土壤；其次，确立植物选择原则以优化CTs功能；最后，开创了"社会艺术实践"推动环境研究的新范式。该成果为应对城市化带来的土壤危机提供了切实可行的解决方案，同时证明跨学科合作在解决复杂环境问题中的独特价值。随着"碳海绵"方法在纽约及其他城市的推广，这项研究有望重塑城市与土壤的关系，推动向更可持续的未来转型。