长期氮肥与短期有机改良剂协同作用下通过小大团聚体稳定性提升土壤有机碳

本研究针对长期过量施用氮肥导致的土壤结构退化及有机碳流失问题，通过两年田间试验探究了四种有机改良剂（秸秆还田、鸡粪、蘑菇渣、生物炭）与氮肥配施对华北平原小麦-玉米轮作系统土壤团聚体稳定性及有机碳固存的影响。结果表明生物炭配施氮肥处理（N240-B）显著提升土壤有机碳储量（SOCs）21.61%，且0.25-0.5 mm团聚体对SOCs贡献最大。研究为集约化农田土壤碳汇提升提供了理论依据和实践路径。

　　

随着全球气候变化加剧，土壤作为全球最大的陆地碳库，其有机碳（SOC）的固存能力已成为缓解大气CO₂浓度上升的关键途径。然而在现代农业中，为维持作物产量而过度施用氮肥的现象普遍存在，这不仅导致土壤酸化、结构破坏，还加速了有机碳的矿化流失，严重威胁农业可持续发展。华北平原作为中国重要粮食产区，其小麦-玉米轮作系统具有灌溉频繁、农业投入密集的特点，碳损失问题尤为突出。如何通过合理的养分管理策略在保障产量的同时提升土壤碳汇功能，成为当前农业生态研究的热点。

以往研究表明，有机改良剂（OAs）与无机氮肥配施可改善土壤结构，但不同有机改良剂（如秸秆、粪肥、生物炭等）在长期氮肥背景下的效果差异及机制尚不明确。特别是蘑菇渣作为一种新型改良剂，其碳汇潜力缺乏系统评估。为此，研究人员在《Farming System》发表了最新成果，通过两年田间试验揭示了不同有机改良剂与氮肥配施对土壤团聚体稳定性和有机碳储量的影响机制。

研究采用裂区设计，主区为两个氮水平（N0: 0 kg ha^-1和N240: 240 kg ha^-1），副区为四种有机改良剂：秸秆还田（S）、鸡粪（M）、蘑菇渣（MR）和生物炭（B）。改良剂按等氮量原则施用（见表1），监测了土壤有机碳储量（SOCs）、团聚体分布、平均重量直径（MWD）等指标，并通过路径分析和随机森林模型解析了不同粒径团聚体对SOCs的贡献。

3.1 有机碳储量变化

氮肥与有机改良剂显著增加SOCs（P<0.05），其中N240-B处理效果最佳，较秸秆还田处理（S）提升21.61%。无氮条件下生物炭（N0-B）的SOCs增幅甚至超过氮肥配施鸡粪处理（N240-M），表明生物炭在低氮环境中仍具显著碳汇潜力。

3.2 团聚体分布与稳定性

氮肥降低大团聚体（>5 mm）比例，增加微团聚体（<0.25 mm）比例，而有机改良剂逆转此趋势。生物炭处理（N0-B）的MWD值最高，较秸秆还田处理提升22.79%，团聚体破坏率（PAD）最低，表明其显著增强团聚体稳定性。

3.3 团聚体内碳分布特征

在>5 mm团聚体中，N0-B处理的SOCs最高，较N0-S和N240-B分别提升100.59%和22.27%；而在0.25-0.5 mm团聚体中，N240-S处理的SOCs显著高于其他处理。相关性分析显示SOCs与>0.25 mm团聚体含量（R_0.25）呈正相关，与PAD负相关。

3.4 碳固存机制解析

路径分析表明，>5 mm和0.25-0.5 mm团聚体的SOCs对总SOCs具有直接正向效应（路径系数分别为0.25和0.44）。随机森林模型进一步验证0.25-0.5 mm团聚体为SOCs的主要贡献者，其次为1-2 mm团聚体。

研究结论指出，生物炭配施氮肥（N240-B）可通过促进大团聚体形成和增强稳定性显著提升SOCs，而0.25-0.5 mm小粒径团聚体在碳固存中扮演关键角色。这一发现为优化有机-无机配施策略提供了新视角：高碳氮比的有机改良剂（如生物炭）可通过物理保护作用和缓慢分解特性抑制碳矿化，而氮肥则通过促进植物碳输入间接贡献碳汇。该成果对华北平原集约化农业的土壤健康管理和碳中和目标实现具有重要实践意义。