《Environmental Research》：Divergent responses of soil particulate and mineral-associated organic carbon to climate gradients in managed croplands of Northeast China
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本文分析了东北中国0-40 cm土壤中有机碳（SOC）、颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）的纬度分异特征及其驱动机制。结果表明：SOC与MAOC储量随纬度升高显著增加，而POC无明显变化。多变量分析揭示气候、土壤属性及酶活性对SOC和MAOC的影响，其中POC受土壤属性影响更大。温度敏感性和氮素供应是调控SOC分异的关键因素，为温带农田碳管理提供依据。
冯文豪|安东尼奥·拉斐尔·桑切斯-罗德里格斯|周杰|梁功|钱春荣|王静|白晓龙|邓鹏志|王静|江玉洲|张洪远|李玉仪
中国农业科学院农业资源与区域规划研究所北方干旱半干旱耕地高效利用国家重点实验室，北京 100081
摘要 中国东北地区的耕地蕴藏着对土壤肥力和粮食安全至关重要的有机碳（SOC）储量。将SOC分为颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC）有助于深入理解碳循环机制，并制定针对性的固碳策略。为揭示这些碳分量的纬度变化规律及其控制因素，我们分析了位于北纬40.03°–48.02°之间、深度为0–20厘米和20–40厘米的96个耕地土壤样本。在两个土层中，SOC和MAOC的储量均随纬度显著增加，而POC的储量则没有明显的空间分布趋势。尽管两者都与总SOC呈显著相关性，但POC对SOC变化更为敏感。多元分析表明，表层土壤中35–38%的SOC和MAOC变化受气候、土壤性质及酶活性的共同影响，而深层土壤中这一比例分别为27–31%。随机森林模型显示，年平均温度是影响表层土壤SOC和MAOC储量的主要因素，总氮含量则影响深层土壤的SOC动态。我们的研究结果强调了温度和氮素供应对SOC分布的关键作用，为气候变化背景下温带耕地的碳管理提供了实用策略。
引言 陆地生态系统是有机碳（C）的最大储存库，对维持土壤肥力、支持粮食生产和缓解气候变化具有重要作用（Veronesi和Schillaci，2019；Zhang等，2022）。作为典型的寒冷高纬度地区，中国东北地区0–30厘米深度内的土壤有机碳储量约为1.37 Pg C，占全国耕地有机碳储量的23%以上（Ding等，2023）。然而，近期研究表明，由于农业集约化和气候变化，该地区的SOC正在减少（Wang等，2024；Ma等，2024a；Zhou等，2025），因此了解其变化规律及其控制因素对于评估碳循环动态和促进固碳至关重要。需要注意的是，SOC并非均匀分布，将其整体研究会限制对其形成、持久性和功能的理解（Xiao等，2022）。
该地区的主要土壤类型包括淋溶褐土、黑土、淡色淋溶土以及多种人为改良土（IUSS工作组WRB，2022；Ma等，2024b）。这些耕地的土壤形成过程主要包括腐殖质积累（形成富含有机质的表层土壤）、淋溶作用和粘土矿化（形成独特的地下层），以及人为因素（长期耕作、灌溉和施肥）（Gong等，1999；Schad，2017）。0–20厘米和20–40厘米深度的土壤层在SOC动态中发挥着不同的作用：表层土壤（通常是A层或Ap层）主要负责碳的输入和转化，而深层土壤（通常包含B层上部）则起到稳定和保存作用，例如在淋溶土中通过粘土-有机质复合反应或在沼泽土中通过厌氧条件增强碳固存（Wu等，2022）。
尽管许多研究关注整体SOC的动态变化，但往往忽视了其不同组分（Zhang等，2022；Lei等，2023）。最新研究表明，将SOC分为颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC）能更准确地描述和预测其积累和持久性（Lavallee等，2019）。POC主要来源于植物结构聚合物，通过团聚体物理包裹得以保护（Zhang等，2024），而MAOC则主要通过微生物残体、分解产物和可溶性植物物质在矿物表面的吸附形成（Lavallee等，2019）。矿物结合使得MAOC更难被微生物分解，因此其平均滞留时间比POC更长（Liang等，2023），这些差异可能导致两者在土壤中的含量不同。因此，识别控制POC和MAOC变化的因素对于理解陆地碳循环及其对气候和管理变化的敏感性至关重要（Liu等，2022）。
POC和MAOC的形成受生物和非生物因素的影响（Cotrufo等，2015；Robertson等，2019）。气候因素如温度和降水通过影响碳的输入和输出来决定土壤碳的动态（Li等，2023）。例如，在湿地研究中（Fu等，2024），气候对POC和MAOC的积累都有显著影响。较高温度下，更多新鲜植物物质进入POC库，因为土壤微生物分解凋落物（Lavallee等，2019）；同时，增加的植物凋落物输入和分解速率提高了微生物活性，从而增加了构成MAOC的微生物产物（Chen等，2022）。然而，高温也会加速MAOC的分解和利用，形成一种权衡（Li等，2024），并且温度还调节着这两种碳分量的储存和周转（Zhou等，2024）。土壤性质也影响POC和MAOC的储存：pH值可能通过抑制微生物活性影响POC，类似地，低pH值可减缓分解过程，从而在酸性土壤中增加POC含量（Zhang等，2020）。土壤养分可用性影响植物生物量、凋落物输入，进而影响不同的碳组分（Liao等，2023），而胞外酶在调节微生物养分需求与土壤养分可用性之间起着关键作用，反映了微生物的养分利用能力（Feyissa等，2022；Feng等，2025）。酶活性的变化与POC和MAOC等碳组分的分解速率密切相关（He等，2021）。尽管已知气候和土壤生物学对碳组分形成至关重要，但在更大尺度上评估这些因素的相对重要性仍有限。在中国东北地区，尽管土壤肥力高但温度较低，相关研究仍较为缺乏。
此外，大多数关于影响POC和MAOC的生物和非生物因素的研究仅限于表层土壤（约20厘米深度）（Cotrufo等，2019；Liu等，2023；Wang等，2012），因为该区域的有机碳含量和周转率通常最高（Conant等，2001）。然而，植物根系和耕作方式也会影响深层土壤中的POC和MAOC（Cai等，2021；Zhang等，2022；Feng等，2025），而且微生物对碳（和氮）的竞争在表层和深层土壤中同样激烈（Jones等，2018），这可能影响不同的碳组分。值得注意的是，POC和MAOC对总SOC储量的相对贡献并非恒定，而是随土壤深度和气候显著变化（Galluzzi等，2025；Mikutta等，2019）。这表明气候因素可能与土壤深度共同作用于不同碳组分的动态调控。因此，需要综合考虑深度和气候因素，以全面理解它们对SOC储存机制的综合影响。
为了解决这一问题，我们在中国东北地区沿纬度梯度（96个样本）系统采集了表层土壤（0–20厘米）和深层土壤（20–40厘米）的样本，以揭示SOC、POC和MAOC的储量及其控制因素。我们的目标是：（1）分析SOC、POC和MAOC储量随纬度的变化情况，并确定其主要控制因素；（2）比较气候因素（年平均温度、降水量）、土壤性质（总氮、碱解氮、有效磷、容重、pH值）和酶活性（C-、N-和P-吸收酶）对不同土壤深度下SOC、POC和MAOC储量的影响。我们假设：（1）由于较低温度通常促进更多的SOC积累，SOC、POC和MAOC储量会随纬度增加；（2）POC储量的纬度变化主要由土壤养分决定，可能通过为作物生长提供养分和增加凋落物输入来实现，而MAOC储量则主要受酶活性影响，这与土壤微生物活性密切相关。
研究区域和土壤采样 本研究在中国东北地区进行，涵盖辽宁、吉林、黑龙江和内蒙古三个省份（北纬40.03°–48.02°，东经119.14°–130.40°）（图1）。该地区属于温带大陆性季风气候（Wang等，2012），年平均温度为2.7–10.2°C，年平均降水量为310.6–676.9毫米（2000–2021年的平均值，
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SOC、POC和MAOC储量的纬度变化 SOC（SOCS）、POC（POCS）和MAOC（MAOCS）的储量在不同采样点和土壤层中均存在显著差异（表S1，P < 0.001）。在两个分析的土壤层中，SOCS和MAOCS的储量随纬度显著增加，而POCS则没有（图2a和b；P < 0.001）。0–20厘米和20–40厘米土壤层之间的SOCS、POCS和MAOCS也存在差异（表S1；P < 0.001）。随着纬度的增加，0–20厘米深度的SOCS储量从12.9 Mg ha-1 增加到70.7 Mg ha-1
中国东北地区SOC、POC和MAOC储量的纬度变化 中国东北地区0–40厘米深度内SOCS的纬度变化趋势（图2a和b）与已有研究结果一致（Zhou等，2019）。同样，MAOCS及其在SOC中的比例也随纬度增加（图2和S1），这可能是由于微生物生理适应气候变化所致。由于MAOCS主要来源于微生物残体和代谢产物（Cotrufo等，2013；Liang等，2017），因此在较高纬度下微生物生物量增加
结论 本研究分析了中国东北地区SOC、POC和MAOC储量的纬度分布，并探讨了可能影响这些变化的因素。SOC和MAOC储量与纬度呈正相关，而POC储量则没有这种趋势。整体土壤中的SOC储量对POC变化更为敏感，这表明这些地区的SOC损失可能更大。值得注意的是，年平均温度的影响超过了降水量
作者贡献声明 邓鹏志： 方法学研究、数据整理。王静： 研究设计、概念构建。江玉洲： 写作、审稿与编辑。张洪远： 写作、审稿与编辑、监督、方法学研究、概念构建。李玉仪： 监督、方法学研究、资金争取。冯文豪： 初稿撰写、方法学研究、数据整理、概念构建。安东尼奥·拉斐尔·桑切斯-罗德里格斯： 写作、审稿与编辑。周杰： 写作、审稿与编辑、研究设计。梁
未引用文献 Bremner, 1960; Cotrufo等，2013; FAO-UNESCO, 1974; Gong, 1999; Rijas等，2018; Wang和Chen, 2024.
利益冲突声明 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢 本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD1500901）和中国农业研究系统专项基金（CARS-02-24）、农业科技创新计划（CAAS-ZDRW202407）的资助。安东尼奥·拉斐尔·桑切斯-罗德里格斯还获得了西班牙科学、创新与大学部（PID2023-149247OB-C22，SOPHOS）以及西班牙国家研究机构的资助（Severo Ochoa和María de Maeztu项目）。
