引言
农田是地球上最大的可管理碳库之一，同时被期望为不断增长的全球人口提供食物、减缓气候变化并维持源于土壤的生态系统服务（Lal, 2004; Smith et al., 2020; Amelung et al., 2020）。土壤有机碳（SOC）是土壤健康的基石，也是耕地系统中粮食安全与气候变化缓解的根本基础（Bossio et al., 2020; Mo et al., 2024）。在现有农学手段中，作物残留物留存被广泛推崇为一种低成本、可推广的农田碳储量再资本化策略（Lin et al., 2024; Wang et al., 2024）。全球范围内，作物秸秆每年代表约38亿吨生物量及15亿吨碳，其中很大一部分产自温带谷物带，如中国东北的黑土区域（Mo et al., 2024）。然而，尽管已有数十年的研究，秸秆还田的深度仍然是农田碳管理中一个关键但尚未充分解决的管理手段（Islam, Jiang, Guo, Liu, and Peng, 2023; Yang et al., 2024; Tao et al., 2025）。
秸秆还田在农业生态系统层面的价值取决于所添加碳在土壤剖面上如何分配到功能上不同的SOC组分中。颗粒有机碳（POC）与矿物结合有机碳（MAOC）在周转率、稳定性和生态功能方面各不相同（Cotrufo, Ranalli, Haddix, Six, and Lugato, 2019; Lavallee, Soong, and Cotrufo, 2020; Cotrufo and Lavallee, 2022）。MAOC更为难分解，支撑长期储存，而POC支持微生物生长、养分循环和短期生产力（Angst et al., 2023; Jiang et al., 2025）。这些组分的相对主导地位随土壤深度和管理方式显著变化，在犁层内产生异质的土壤质量与碳稳定化轨迹（Cotrufo and Lavallee, 2022; Prairie, King, and Cotrufo, 2023）。例如，长期秸秆还田配合免耕可能导致土壤压实和心土层SOC含量降低，限制根系生长和养分吸收（Ling et al., 2022; Hu et al., 2021）。浅层还田（0–20 cm）优先增强表土POC和活性碳库，同时限制垂直转移（Wang et al., 2020; Liu et al., 2021a）。相比之下，跨越整个犁层（0–35 cm）的深施还田可重新分配碳并打破压实层，促进心土SOC积累（Villarino, Pinto, Jackson, and Pi?eiro, 2021; Liu et al., 2022; Yang et al., 2024; Tao et al., 2025）。由于超过一半的总SOC储存在20 cm以下（Balesdent et al., 2018），把握这一心土层的碳库容量对于实现持久的农田碳汇至关重要（Jobbágy and Jackson, 2000; Hicks Pries, Castanha, Porras, and Torn, 2017）。
微生物是将残留物输入转化为SOC的主要媒介。其群落结构和资源需求对基质可利用的深度做出强烈响应（Liang, Schimel, and Jastrow, 2017; Sokol and Bradford, 2019; K?stner, Miltner, Thiele-Bruhn, and Liang, 2021）。真菌主导的群落比细菌更有效地分解木质纤维素，而真菌/细菌（F/B）比值的改变则同时影响分解途径和微生物残体对MAOC的贡献（Cong et al., 2020; Liu et al., 2022; Chen et al., 2023）。由于微生物按其基质和养分需求投入细胞外酶，酶化学计量已成为农业生态系统中微生物资源限制的灵敏指示器（Sinsabaugh et al., 2008; Sun et al., 2023; Cui et al., 2024）。对酶C:N:P化学计量的向量分析可分解特定农学制度所施加的碳与磷限制（Moorhead, Sinsabaugh, Hill, and Weintraub, 2016; Luo et al., 2022; Kizeková, Kanianska, Jan?ová, ?underlík, and Dugátová, 2024）。然而，尽管其对可持续农业生态系统管理具有直接的实践意义，秸秆还田深度、微生物资源限制以及SOC在POC和MAOC之间分配之间的关联，在长期农田试验中仍然知之甚少（Mo et al., 2024; Zhang et al., 2026）。
中国东北的黑土提供了尤为丰富的研究平台。它们约占全国玉米种植面积的31%，是中国粮食安全的核心区域，但经过数十年高强度耕作和残留物移除，已损失高达三分之一的原始SOC（Liu et al., 2021b; Tian et al., 2025）。国家保护性耕作计划现已激励秸秆还田，截至2023年，全国超过1.95亿亩黑土耕地已实行保护性耕作（Tian et al., 2025; Wang et al., 2025）。因此，确定一种同时最大化SOC储存、支撑生产力且便于农民采用的深度策略，具有重要的农业生态学和政策意义的研究优先事项。
本文利用黑土玉米单一栽培中设有四种秸秆还田深度的12年田间试验，（i）比较秸秆还田深度对犁层内SOC组分和总SOC的影响，（ii）评估深度如何改变微生物群落结构和资源限制，（iii）检验微生物资源限制是否机制性地将秸秆深度与SOC分配和储存联系起来。我们假设：（i）秸秆还田深度控制秸秆源碳的垂直定位，浅施促进表土MAOC而深施促进心土POC；（ii）依赖深度的土壤环境和可利用资源化学计量变化重塑微生物群落结构和胞外酶活性；（iii）秸秆还田加剧微生物碳限制而缓解磷限制，且这些转变介导SOC稳定化。我们旨在将生物地球化学机制转化为具有实际操作意义的管理原则，以指导可持续的黑土农业生态系统及全球类似温带农田的管理。
