《Soil and Tillage Research》：Novel straw burial technique to increase maize yield and stable carbon accumulation on a decadal scale
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本研究通过14年玉米试验，对比交替沟厢分层秸秆深埋与传统覆盖方法，利用13C示踪技术揭示秸秆碳在20-60cm土层中迁移转化机制。结果表明，深埋法显著增加矿物结合有机碳（MAOC），固碳效率提高107%-322%，并直接提升玉米产量8.2%，证实深埋在固碳与增产中的双重效益。
李博文|乔安·K·惠伦|罗兰·博尔|李嘉琪|刘光艳|高艳阳|李金|叶旭红|邹洪涛
沈阳农业大学土地与环境学院，中国辽宁省沈阳市110866
摘要
将秸秆深埋在土壤中可以增加农业生态系统中的碳（C）含量，但这种做法对作物产量和土壤有机碳（SOC）长期储存的影响仍有待量化。我们在中国东北部进行了一项为期14年的玉米田实验，比较了一种新的秸秆深埋方法（交替沟分层秸秆深埋法）与传统的秸秆覆盖方法。通过使用13C稳定同位素追踪技术，我们研究了秸秆碳在土壤中的迁移和转化过程。在田间条件下，秸秆深埋方法释放了更多的溶解有机碳（DOC），从而在20–60厘米的底层土壤中形成了更多的矿物相关有机碳（MAOC）。在添加秸秆150天后，与秸秆覆盖方法相比，秸秆深埋方法使20–40厘米（增加107%）和40–60厘米（增加322%）的土壤中的秸秆衍生MAOC储量显著增加，从而构建了一个更稳定的碳库。相比之下，秸秆覆盖方法导致20–60厘米底层土壤中的MAOC减少，这可能是由于根系沉积物激活了分解作用。重要的是，SOC储存的增加与玉米产量的提高直接相关。与不返回秸秆的情况相比，返回秸秆显著提高了玉米产量，其中深埋方法的效果最好，产量提高了8.2%。我们的研究表明，秸秆深埋在可持续玉米农业生态系统中对SOC储存和作物生产力具有双重益处。
引言
土壤有机碳（SOC）是地球上最大的碳（C）库，但其大部分存在于深层土壤（>20厘米）中，占全球SOC储量的50%以上（Zhou等人，2022年；Liang等人，2024年）。深层土壤温度较低、通气性较差且微生物活动受到抑制，因此SOC的周转时间较长，稳定性更高，这对于长期SOC储存至关重要（Bounouara等人，2017年；Hobley等人，2017年）。然而，主动改变深层土壤中的SOC具有挑战性，因为这需要将富含碳的基质输送到土壤中并使其分解和转化。秸秆就是这样一种富含碳的基质，它是农作物收获后留在农业生态系统中的木质纤维素残余物（Li等人，2016年；Latifmanesh等人，2020年；Cui等人，2024年）。虽然表面覆盖秸秆主要可以减缓侵蚀、保持水分并增加表土中的SOC，但其对底层土壤中碳储量的影响有限（Qin等人，2021年；Zhang等人，2023年）。相反，将秸秆混入土壤中可以将其有机物质分布在整个土壤层中，在那里分解并稳定为矿物相关有机物质（MAOC）等碳库（Liu等人，2021年；Yu等人，2022年）。因此，秸秆转化为这些碳库的速率以及所得碳的稳定性是选择适当秸秆管理方法的关键因素，而这些结果从根本上取决于秸秆中的碳如何在具有不同稳定性的土壤有机质组分之间分配。
这种针对特定组分的视角至关重要，因为SOC本质上是异质且动态的（Chakrawal等人，2020年；Lei等人，2024年）。颗粒有机碳（POC）和轻质有机碳（LFOC）主要来源于植物残余物，容易被微生物分解，由于缺乏矿物质保护而周转较快（Chen等人，2023年）。相比之下，矿物相关有机碳（MAOC）的周转时间较长，稳定性更高，是通过可溶性有机物质与矿物颗粒的共沉淀以及微生物残体的积累形成的（Miao等人，2017年；Lavallee等人，2020年；Ren等人，2023年）。这些组分的相对形成在底层土壤中尤为重要，因为那里的温度和湿度条件更有利于秸秆的分解（Wang等人，2021年）。秸秆的深层埋藏不仅为深层土壤提供了丰富的养分，从而刺激了微生物活动，还促进了POC向MAOC的转化，从而大幅增加了底层土壤中稳定碳的比例（Almeida等人，2021年；Zhang等人，2024年；Li等人，2025年）。在这种机制背景下，评估秸秆管理策略需要一个能够严格评估农艺规模和底层土壤碳稳定潜力的环境。
中国东北部作为全国最重要的粮食生产区，提供了这样的环境。该地区的玉米农业生态系统覆盖面积超过1000万公顷，每年生产约1亿吨粮食，占全国总量的34%，同时产生等量的秸秆（Li等人，2022年）。然而，传统的秸秆管理方法在有效增加底层土壤碳储量方面效果不佳。表面覆盖可使表土中的SOC增加约13%，但底层土壤中的碳储量基本不变（变化范围为-3%至+6%）（Liu等人，2014年；Zhang等人，2015年；Li等人，2025年）。使用犁刀深埋（深度20–40厘米）可使底层土壤中的SOC增加12–25%（Wang等人，2021年；Chen等人，2026年），但这种方法存在一些缺点，包括形成过大的土壤孔隙、秸秆分解不完全以及作物病虫害压力增加（Zhu等人，2022年）。为了克服这些限制同时保留秸秆深埋的好处，我们开发了一种替代方法——交替沟分层秸秆深埋法，该方法已被证明可以将底层土壤中的SOC增加24%，同时减轻了传统深埋方法的负面影响（Kan等人，2025年）。
基于这种方法，本研究旨在定量分析秸秆中碳的动态变化与土壤中SOC组分形成和稳定的关系。基于一项为期14年的玉米田实验（始于2010年），我们使用13C稳定同位素追踪技术来量化秸秆中碳在0–60厘米土壤层中的迁移和转化过程。我们的次要目标是评估观察到的SOC含量变化是否与玉米产量有关。研究假设如下：（1）秸秆深埋会增加20–60厘米土壤层中的碳含量，因为秸秆中的碳主要以溶解有机碳（DOC）的形式向下移动。（2）秸秆深埋将促进长期土壤碳储存，因为由此产生的矿物相关有机碳（MAOC）有助于土壤有机碳（SOC）的稳定。（3）秸秆深埋将提高作物产量，因为较高的SOC含量改善了生长条件。
实验地点描述
实验在中国辽宁省沈阳市的沈阳农业大学研究基地进行（41°20′N，119°32′E）。当地气候为温带半湿润大陆性气候，年平均温度为6–9℃，年平均降水量为500–700毫米。根据美国土壤分类法，该地区的土壤属于棕壤。主要的基本土壤特性见表S1。
实验中种植了玉米（Zea mays L.）
长期秸秆还田对土壤的影响
经过14年（2010–2023年）的实验，与对照组相比，秸秆覆盖和秸秆深埋处理显著提高了产量和SOC含量。此外，秸秆深埋处理在产量和SOC含量方面也显著优于秸秆覆盖处理（图2a–b）。具体来说，秸秆深埋处理下20–20厘米土壤层中的SOC浓度达到了12.5克/千克，20–40厘米土壤层中的SOC浓度达到了10.3克/千克，分别比秸秆覆盖处理增加了8.3%和9.4%（P<0.05）。
秸秆还田对碳迁移和周转的影响
我们提供了直接证据，表明在没有直接秸秆输入的情况下，秸秆衍生的溶解有机碳（DOC）会在土壤层中显著积累（图4）。这一发现明确证明了秸秆衍生碳的“跨层”迁移和再分布，超出了传统上仅关注改良层中碳动态的局限。关键在于，DOC不仅作为碳传输的载体，还起到了连接表土（或...
结论
我们的研究表明，一种新的秸秆深埋方法（交替沟分层秸秆深埋法）确实是一种有效的策略，可以增加作物产量并实现长期土壤碳储存。秸秆深埋促进了秸秆衍生碳的垂直迁移，主要以DOC的形式存在，这是整个土壤层中稳定MAOC形成的关键前体。与表面覆盖相比，秸秆深埋增强了SOC的储存
作者贡献声明
李博文：撰写初稿、软件开发、数据整理、概念构思。乔安·K·惠伦：撰写、审稿与编辑。罗兰·博尔：撰写、审稿与编辑。李嘉琪：监督。刘光艳：撰写、审稿与编辑。高艳阳：数据整理。李金：撰写、审稿与编辑。叶旭红：资金获取。邹洪涛：项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有财务或非财务利益冲突，且本文不涉及任何涉及人类参与者或动物的研究。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划 [2023YFD1500900; 2024YFD1501500]的支持。
