作物轮作与连作对土壤溶解性有机质垂直分布的差异化调控机制及其碳氮磷耦合效应

这篇研究揭示了土壤深度（0-90 cm）对溶解性有机质（DOM）组分（DOC/DON/DOP）分布的主导作用，通过长期定位试验结合UV-Vis/VIS-NIR光谱技术，发现连作系统在60-90 cm深层土壤中DOC积累更显著（P < 0.05），而SUVA280升高和E4/E6降低表明深度驱动的DOM分子腐殖化。随机森林模型解析出总氮（TN,14.92%）、腐殖质（15.56%）等关键驱动因子，为农业土壤碳封存和养分管理提供新见解。

　　

1 Introduction

土壤溶解性有机质（DOM）作为陆地生态系统的核心组分，通过溶解性有机碳（DOC）、氮（DON）和磷（DOP）的循环调控土壤肥力与碳汇功能。现有研究多聚焦于0-30 cm表层土壤，而深层土壤（30-90 cm）作为稳定的碳氮储库，其DOM垂直分异规律及耕作制度（轮作vs连作）的影响机制尚不明确。本研究基于波兰IUNG-PIB农业实验站长达28年的定位试验，首次系统揭示DOM分子特征随深度演变的规律，并解析环境驱动因子的贡献 hierarchy。

2 Materials and methods

试验设计上，对比三茬轮作（冬油菜-冬小麦-春大麦）与冬小麦连作系统，分层采集0-30 cm、30-60 cm、60-90 cm土壤样品。采用冷水提取法获得DOM，通过总有机碳分析仪（multi N/C 2100 S）定量DOC/DON，ICP-MS测定DOP。UV-Vis光谱参数（SUVA₂₈₀、E4/E6）表征分子特性，VIS-NIR光谱（350-2500 nm）捕捉DOM结构指纹。随机森林模型（%IncMSE）量化土壤理化性质对DOM变异的解释度。

3 Results

3.1 耕作制度对DOM含量的影响

DOM浓度呈现显著深度衰减（P < 0.001），但耕作制度差异仅体现在60-90 cm深层：连作系统DOC含量较轮作高18.7%（P < 0.05），而DON/DOP无显著差异。DOP在30 cm以下保持稳定，反映磷的"表聚-深耗"分布模式。

3.2 DOM分子质量的分异规律

UV-Vis光谱显示SUVA₂₈₀随深度增加43%（P < 0.01），E4/E6比值降低35%，表明深层DOM具有更高芳香性和分子量。VIS-NIR在1505 nm处的吸收峰提示连作系统深层积累更多微生物源亲水性DOM，而1645/1673 nm峰强度差异暗示轮作促进木质素衍生物腐殖化。

3.3 环境驱动因子解析

随机森林模型揭示：DOC变异主要受总氮（14.92%）和总碳（11.68%）驱动；DON与DOC（17.64%）、深度（16.00%）显著相关；DOP则受腐殖质（15.56%）和总磷（15.45%）调控。值得注意的是，DOP对DOC预测贡献度（9.67%）显著高于反向关系，反映磷循环对碳迁移的级联效应。

4 Discussion

4.1 耕作制度的深层效应

连作系统在60-90 cm层DOC富集可能源于：①微生物多样性降低导致难降解碳积累；②土壤结构破坏促进颗粒有机质垂直迁移。这与SUVA₂₈₀数据揭示的芳香性增强相符，VIS-NIR 1505 nm特征峰进一步佐证微生物代谢产物的选择性保存。

4.2 深度主导的分子演化

SUVA₂₈₀与E4/E6的深度梯度变化，证实DOM在迁移过程中经历微生物筛选和氧化缩合，形成高芳香-高腐殖化特征。轮作系统可能通过激发酚氧化酶活性，加速表层DOM转化而减少深层碳沉积。

4.3 养分耦合管理启示

总氮对DOC的高解释度（14.92%）暗示氮添加可促进碳固定，而腐殖质-P的强关联（15.56%）为有机无机磷协同调控提供依据。深层土壤中DOM的稳定性与耕作制度交互作用，为设计碳封存优先的轮作体系提供新思路。

5 Conclusions

本研究阐明土壤深度通过筛选-腐殖化机制塑造DOM垂直分布，而连作系统在深层表现出特殊的碳积累模式。基于随机森林模型构建的驱动因子 hierarchy，建议通过优化轮作制度与深层养分管理，同步提升农业土壤碳汇功能和养分利用效率。未来研究可结合FT-ICR-MS等高通量技术，解析DOM分子多样性与微生物功能的偶联机制。