《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Quantifying soil organic matter stock distribution and origin following over a century of maize-based cropping in the former tallgrass prairie region of central USA
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本研究针对北美高草草原转为玉米农业后土壤有机碳（SOC）大量流失的问题，在历时145年的Morrow Plots长期定位试验中，评估了作物轮作与施肥管理对SOC和全氮（TN）储量的影响。研究发现，玉米-燕麦-苜蓿轮作比玉米连作能显著增加SOC储量（+30.7 Mg C ha-1），而玉米-大豆轮作则无显著影响；NPK施肥和施用粪肥对整体SOC储量无显著影响，但NPK施肥在玉米连作和玉米-大豆轮作下降低了30-45 cm深度的SOC储量。通过稳定碳同位素（δ13C）分析表明，即使经过145年玉米连作，大部分SOC（>50%）仍来源于原生高草草原。该研究揭示了多样化轮作在减缓土壤有机质流失方面的长期潜力，并强调了原生草原遗留有机质对维持北美中部农业生态系统生产力的持续重要性。
在北美中部，曾经广袤的高草草原（Tallgrass Prairie）在19世纪被大规模开垦，转变为以玉米（Zea mays L.）为主导的一年生作物系统。这一土地利用方式的巨大转变带来了一个深远的环境后果：在不到两个世纪的时间里，土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）出现了大量流失。土壤有机质（Soil Organic Matter, SOM）不仅储存碳，还通过矿化作用（mineralization）为作物提供必需的养分（如氮、磷），其过度损失将直接威胁农业生态系统的长期生产力。因此，探寻能够减缓SOC损失的农业管理措施，对于该区域农业的可持续发展至关重要。
作物轮作（Crop rotation）作为一种常见的时间维度上的作物多样化（temporal crop diversification）措施，以及施肥管理（如合成NPK肥料和粪肥施用），被广泛研究其对于SOC储量的潜在影响。然而，以往的评估大多存在局限：要么实验持续时间较短（数年至数十年），要么土壤采样深度较浅（通常≤30 cm），难以捕捉到管理措施在数十年甚至更长时间尺度上对SOC储量的真实、全面的影响。此外，对于经历了超一个世纪玉米种植的土壤，其现有的SOC究竟有多少是来自玉米作物本身的贡献，又有多少是残存的原生高草草原的“遗产”，这个问题尚不清晰。稳定碳同位素（δ13C）自然丰度技术为区分C3植物（如大豆、苜蓿、原生草原中的C3物种）和C4植物（如玉米）对SOC的贡献提供了有力工具，因为这两类植物的δ13C值存在显著差异。
为了回答上述问题，研究人员将目光投向了位于美国伊利诺伊州的Morrow Plots长期定位试验。该试验始于1876年，是北美历史最悠久的连续农业试验田，为在百年尺度上评估作物轮作和施肥管理对SOC的影响提供了独一无二的机会。在试验开展的第145年（2021年），研究人员对土壤进行了系统采样，旨在：（i）评估作物轮作和施肥管理对SOC和全氮（Total Nitrogen, TN）储量的影响；（ii）利用δ13C技术，区分在自1876年开始的连续玉米种植下，SOC中来源于高草草原和玉米的比例。这项研究结果发表在《Agriculture, Ecosystems & Environment》期刊上，为我们理解超长期农业管理对土壤有机质库的影响提供了宝贵见解。
为开展此项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术方法：首先，在Morrow Plots试验地，针对三种作物轮作（连续玉米、玉米-大豆、玉米-燕麦-苜蓿）及其下的不同施肥处理（不施肥、NPK施肥、粪肥），使用液压探针钻取土壤剖面芯至90 cm深度，并按15 cm间隔分层取样。其次，测定各层土壤的容重（Bulk Density）、pH值、总碳、总氮含量及δ13C值；对部分可能存在无机碳的样品进行了酸熏蒸处理以精确测定SOC。第三，采用等效土壤质量法（Equivalent Soil Mass, ESM）计算SOC和TN储量，以校正不同处理和深度间容重变异带来的影响。第四，基于测得的土壤δ13C值，并利用附近原生高草草原保护区（Pellsville Cemetery Prairie）的土壤作为参考，通过混合模型计算连续玉米种植下各土层中玉米源和草原源SOC的比例与绝对储量。最后，使用自助法（Bootstrapping）构建95%置信区间进行均值差异比较，评估处理和深度间SOC、TN储量等的差异显著性。
研究结果
3.1. SOC和TN储量的深度分布
SOC和TN储量随深度增加而普遍降低。0-15 cm深度的平均SOC和TN储量最高，分别为32.9 Mg C ha-1和2.55 Mg N ha-1，至60-75 cm深度时降至9.5 Mg C ha-1和1.04 Mg N ha-1。尽管0-30 cm表层土壤集中了大部分碳氮（平均63.0 Mg C ha-1和4.88 Mg N ha-1），但30-75 cm的底土同样储存了可观的碳氮（高达41.8 Mg C ha-1和4.02 Mg N ha-1）。碳氮比（C:N）随深度增加而降低，从0-15 cm的平均12.9降至60-75 cm的9.1。与连续玉米相比，玉米-燕麦-苜蓿轮作下各土层（除45-60 cm外）的土壤容重普遍较低，尤其在0-15 cm和15-30 cm深度分别降低了13.5%和8.2%。
3.2. 作物轮作对ESM基准SOC和TN储量的影响
综合所有施肥处理来看，玉米-燕麦-苜蓿轮作的SOC储量（基于ESM）显著高于连续玉米，平均差值为+30.7 Mg C ha-1（+31.7%）。而玉米-大豆轮作与连续玉米的SOC储量则无显著差异（+4.81 Mg C ha-1, +5.0%）。TN储量在玉米-燕麦-苜蓿轮作下也显著高于连续玉米（+2.31 Mg N ha-1, +27.5%），玉米-大豆轮作下的TN储量也高于连续玉米（+0.48 Mg N ha-1, +5.74%）。整体C:N值在不同轮作间无显著差异。在不施肥和NPK施肥条件下，玉米-燕麦-苜蓿轮作相对于连续玉米的SOC和TN储量优势依然存在且显著。
3.3. 作物轮作对分层SOC和TN储量的影响
作物轮作对SOC和TN储量深度分布的影响在不同施肥管理下表现一致。尽管ESM基准下无差异，但在固定深度上，玉米-大豆轮作在0-15 cm和15-30 cm的SOC和TN储量均显著高于连续玉米。然而，这种表层优势被其在更深土层（如下层）普遍较低（尽管不显著）的储量所抵消。相比之下，玉米-燕麦-苜蓿轮作在整个评估深度（0-75 cm）的SOC和TN储量均显著高于连续玉米，其中差异最大的土层在15-30 cm（SOC: +9.0 Mg C ha-1, +34.7%; TN: +0.66 Mg N ha-1, +32.4%）。玉米-燕麦-苜蓿轮作在≥30 cm深度的C:N值也高于连续玉米。
3.4. 施肥管理对ESM基准SOC和TN储量的影响
与不施肥相比，长期施用合成NPK肥料或粪肥并未对整体（ESM基准）的SOC和TN储量产生显著影响。然而，NPK施肥使ESM基准的C:N值降低了0.67，而粪肥则使其升高了0.56。在特定作物轮作下，NPK施肥与不施肥之间的SOC和TN储量也无显著差异。
3.5. 施肥管理对分层SOC和TN储量的影响
尽管ESM基准储量无差异，但NPK施肥和粪肥对不同深度SOC和TN储量的影响存在差异。 across all crop rotations，NPK施肥导致30-45 cm深度的SOC和TN储量显著低于不施肥（SOC: -4.82 Mg C ha-1, -23.1%; TN: -0.28 Mg N ha-1, -15.5%）。而粪肥则使0-15 cm表层的SOC和TN储量显著高于不施肥（SOC: +5.46 Mg C ha-1, +17.5%; TN: +0.40 Mg N ha-1, +16.6%）。NPK施肥导致底土SOC和TN储量降低的现象，仅在简化轮作（连续玉米和玉米-大豆）下出现，而在玉米-燕麦-苜蓿轮作下未观察到。
3.6. 连续玉米下SOC的δ13C分析
在连续种植玉米145年后，SOC中玉米来源的贡献比例随深度增加而减少。在0-15 cm深度，玉米源SOC的比例在不施肥条件下为40.7–52.1%，在NPK施肥条件下为44.6–59.6%。在15-30 cm深度，NPK施肥显著增加了玉米源SOC的比例（+24.1%）。然而，即使在高比例施NPK肥的表层，>50%的SOC仍来源于原生高草草原。绝对量上，NPK施肥增加了0-30 cm土层玉米源SOC的积累量，但对草原源SOC的储量（Mg ha-1）没有显著影响。与邻近原生草原参考点相比，连续玉米种植下0-45 cm土层的草原源SOC损失严重（损失率43.0%至81.7%），而玉米源SOC的积累仅能补偿不到30%的草原SOC损失。
研究结论与意义
本研究通过长达145年的Morrow Plots试验数据，清晰地证实了作物轮作多样化，特别是包含深根性豆科作物（如苜蓿）的轮作系统，在增加SOC和TN储量、减缓草原转化后土壤有机质损失方面具有显著且持久的积极作用。这种优势体现在整个土壤剖面，凸显了深层土壤碳库对管理措施的响应以及全面评估的重要性。相比之下，玉米-大豆这一该地区主导轮作模式对SOC储量的提升作用有限，说明并非所有形式的轮作都能有效增碳，其效果取决于作物种类及其带来的碳输入（特别是地下部碳输入）特征。
研究结果挑战了关于施肥管理必然增加SOC储量的简单假设。NPK施肥和粪肥施用均未显著改变整个剖面的SOC储量（ESM基准）。然而，深度分层分析揭示了NPK施肥可能对底土SOC产生负面影响（尤其是在简化轮作系统下），而粪肥的影响则主要集中在表层土壤。这强调了评估管理措施对土壤碳库影响时，必须考虑其在土壤剖面中的垂直分布，仅关注表层土壤可能会产生误导或得出不完全的结论。
最为引人注目的发现来自于δ13C分析：即使经过近一个半世纪的连续玉米种植和不同施肥管理，当前SOC库的主体（超过一半）仍然是由原生高草草原植被所贡献的“遗产碳”。NPK施肥主要通过增加玉米源碳的输入来影响SOC组成，但对遗留的草原源碳的矿化损失速率未见显著促进作用。这一发现具有双重重要意义：一方面，它表明北美中部玉米生产系统在很大程度上仍依赖于数百万年演化形成的、不可再生的草原土壤有机质库所提供的养分矿化服务，这凸显了保护剩余土壤有机质的极端紧迫性；另一方面，它也指出，当前农业管理措施（即使是NPK施肥）所促进的新碳（玉米源碳）积累，远不足以弥补草原碳的损失速率。
综上所述，这项跨越世纪的长期研究雄辩地说明，在北美中部前高草草原区，实施包含深根作物的多样化轮作是减缓土壤有机质流失、提升土壤健康的关键策略。同时，必须认识到遗留草原有机质对该地区过去一个半世纪农业生产的巨大贡献及其未来的脆弱性。未来的农业管理应着眼于双管齐下：既要采取措施最大限度地保护和减缓遗留有机质的损失，也要通过优化管理（如引入高碳输入作物、合理施用有机改良剂等）来增强新有机质的积累，从而共同支撑该区域玉米主导的农业生态系统的长期可持续生产力。
