十年来的替代农业耕作方式是否会影响土壤剖面中的POM和MAOM含量？

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Does ten years of alternative farming systems affect POM and MAOM pools along the soil profile?

　　

摘要

本研究在地中海气候条件下的喀斯特土上，针对一个为期10年的小麦轮作试验，分析了草本-豆科覆盖作物以及耕作方式对土壤各层有机质含量的影响。研究比较了三种农业管理方式：传统综合管理（CONV）、采用覆盖作物与间作物的有机管理（ORG），以及采用覆盖作物且不进行耕作的综合管理（NOTILL）。研究人员从土壤表面向下采集样本至60厘米深度，检测其中碳、氮、磷的含量，以及¹³C和¹⁵N的天然丰度。此外，还将有机质分为颗粒态有机质和与矿物结合的有机质，后者通过¹³C NMR光谱分析其分子组成，再利用N2-BET方法测定其比表面积。尽管由于采用了覆盖作物，残留物的数量和多样性有所增加，但ORG和NOTILL处理组的土壤同位素特征仍与CONV组存在细微差异，这些差异仅出现在Ap1土层中。NOTILL处理组的Ap1土层中颗粒态有机质和与矿物结合的有机质含量最高，分别为6.23和15.75克碳/千克土壤，而ORG组为1.06和7.22克碳/千克土壤，CONV组则为0.84和6.68克碳/千克土壤。NOTILL处理组的与矿物结合的有机质中O–N–烷基碳化合物的含量也最高。ORG处理组中与矿物结合的有机质的分子组成在各个土层深度上均与CONV组无显著差异。ORG组和CONV组在有机质含量及同位素特征方面的相似性表明：其一，大部分覆盖作物残留物会迅速矿化，因此其对有机质总量的贡献有限；其二，耕作会使得富含低δ¹³C值的新鲜残留物与经过多年传统管理形成的稳定有机质混合，而后者很可能仍是有机质中的主要成分。总体而言，土壤耕作是控制有机质分为颗粒态和与矿物结合的有机质及其养分含量和分子组成的关键因素。相比之下，覆盖作物的益处仅在免耕条件下显现，这说明土壤扰动可能会大幅降低它们对有机质的影响。

引言

农业管理方式会对土壤有机质含量及其动态变化产生显著影响（Bai等，2018；Osanai等，2021）。传统农业系统由于过度耕作且缺乏新鲜有机残体输入，往往会导致土壤有机质减少。而有机农业和保护性农业体系则通过减少或避免耕作、使用覆盖作物等方式提升土壤有机质含量（Rahman等，2020）。在这些体系中，每年投入的有机残体有助于改善土壤结构、增强保水能力、促进养分循环、提升微生物活性与多样性，进而加速土壤有机质的循环过程（Kuzyakov等，2000；Qiao等，2014；Massaccesi等，2020；Zhou等，2021；Oliveira等，2024；Poesio等，2026）。不过，不同农业管理方式的效果还取决于这些措施的实施时长（Gao等，2016；Haddaway等，2017；Qi等，2019；Man等，2021；Gao等，2021）。Poesio等（2026）在研究了地中海气候条件下喀斯特土经过10年采用覆盖作物与间作管理后的土壤状况后发现，0–60厘米土层内的土壤有机质含量与传统依赖耕作和化学肥料的种植方式相比并无显著差异。在这种情况下，采用覆盖作物和免耕的替代农业模式主要影响土壤中有机碳的分布以及有机质的不同组分比例，而非土壤中有机碳的总量（Palm等，2014；Du等，2017；Li等，2020）。因此，覆盖作物和免耕农业通过固存土壤有机碳来缓解气候变化的潜力可能较为有限（Powlson等，2014；VandenBygaart，2016；Veresoglou等，2023）。

从传统农业向采用不同轮作、耕作和施肥方式的替代农业体系的转变，会因作物和残体产量的变化而影响土壤有机质的质量（Shrestha等，2015）。作物轮作也会影响土壤有机质的质量和循环过程（Soon等，2007），因为植物残体中木质素、纤维素或其他简单化合物的比例会显著影响其矿化速度（Vahdat等，2011）。Shrestha等（2015）在挪威南部的一个农业区发现，采用三叶草作为轮作作物并结合免耕方式，可增加土壤有机质中O–烷基碳的含量。相反，传统耕作则会增加烷基碳的含量，这表明在以耕作为主的农业体系中，土壤有机质更易分解（Wagai等，2013）。Gao等（2021）通过生物标志物和核磁共振技术，研究了中国河北地区一个农场的土壤有机质分子组成。他们发现，17年的保护性农业措施降低了木质素的降解程度，同时提高了整个0–50厘米土层中脂肪族碳与芳香族碳的比例。这一现象表明，与传统农业管理方式相比，保护性农业更有利于脂肪族脂质的积累。除了作物轮作和管理方式外，土壤本身的性质也很重要，它可以通过吸附在黏土矿物表面或包裹在土壤团聚体中，防止土壤有机质矿化（Christensen，1992；Golchin等，1997；von Lützow等，2006；Iheshiulo等，2024）。

总体而言，农业生态系统储存有机碳并固存大气中二氧化碳的潜力，受多种因素的共同影响，包括土壤管理方式、作物轮作及其持续时间、土壤类型以及气候条件（Bescansa等，2006；López–Garrido等，2012；Hou等，2016；Weissert等，2016；Lupwayi等，2017）。尤其是在地中海气候条件下，高温、漫长的季节性干旱以及强烈的降雨事件都会显著影响土壤有机质在土壤各层的动态变化和稳定程度（Mu?oz-Rojas等，2017）。这就需要在不同农业生态系统里研究不同管理方式对土壤有机质动态的影响，从而提升我们理解及预测农业土壤中碳动态的能力（Man等，2021）。因此，本研究旨在探讨意大利中部在进行了10年小麦轮作试验后，一种细粒结构的富营养喀斯特土的土壤有机质质量。研究在Poesio等（2026）所描述的地点开展，比较了三种不同的农业管理方式：一是该地区传统采用的带耕作的综合管理方式（CONV）；二是采用覆盖作物、临时间作以及传统耕作的有机管理方式（ORG）；三是采用覆盖作物且不进行耕作的综合管理方式（NOTILL）。研究人员按土壤层次采集样本，通过化学分析法检测碳、氮、磷含量，同时用同位素分析法检测¹³C和¹⁵N的天然丰度。此外，还通过对样本进行物理分离，得到颗粒态有机质和与矿物结合的有机质两种组分，进一步检测这两种组分的碳、氮含量。通过¹³C CPMAS NMR技术识别并定量分析与矿物表面相关的有机质中的主要碳官能团，从而判断这些有机质受到微生物作用的程度。同时，还利用N?-BET方法测定与矿物结合的有机质的比表面积，以此评估土壤矿物表面用于稳定土壤有机质的可用性。我们提出如下假设：与CONV处理组相比，ORG和NOTILL处理组会：一）拥有更高含量的颗粒态有机质；二）由于覆盖作物残体的存在，土壤各层中的大量营养元素含量更高；三）由于采用了覆盖作物，与矿物结合的有机质的质量会发生改变。

内容片段

研究地点

本研究在意大利中部佩鲁贾市的帕皮亚诺地区，佩鲁贾大学的实验站（FieldLab，北纬42°57’22”，东经12°22’25”）开展，该地点位于河流和湖泊沉积物之上，根据IUSS工作组WRB的分类标准，该土壤属于富营养喀斯特土（Loamic）（IUSS工作组WRB，2022）。该地区属于地中海气候，年平均降水量为780毫米，主要集中在秋季，年平均气温为15.3摄氏度，这些数据均为

土壤大量营养元素含量

在NOTILL处理组的Ap1土层中，研究涉及的三种大量营养元素的含量均为最高（图2a）：总有机碳含量为21.98克碳/千克土壤，而CONV和ORG处理组分别为7.52和8.28克碳/千克土壤；总氮含量为2.20克氮/千克土壤，CONV和ORG处理组分别为0.87和0.97克氮/千克土壤；有效磷含量为93.4毫克磷/千克土壤，CONV和ORG处理组分别为43.4和29.4毫克磷/千克土壤。虽然在NOTILL处理组中，总有机碳、总氮和有效磷的含量随土层深度增加而明显下降，但总有机碳含量仍与

免耕有利于土壤有机质与养分的分层

在CONV和ORG处理组中，土壤管理方式似乎并未影响总有机碳的分布，尽管ORG处理组的轮作体系中包含了覆盖作物和间作作物。ORG处理组未能提高总有机碳含量的原因，被归结为耕作作用以及将豆科作物作为覆盖作物和间作作物的共同影响（Poesio等，2026）。事实上，耕作会通过混合富含有机碳的表土和底土来搅动土壤，而豆科作物则能促进

结论

在NOTILL处理组中，覆盖作物与免耕措施的结合使用，不仅增加了颗粒态有机质的含量，还改变了与矿物结合的有机质的组成——与CONV和ORG处理组相比，后者含有更多O–N–烷基碳化合物，且A:OA比例更低。这些变化仅发生在土壤最表层，因为覆盖作物产生的大量残体，加上免耕导致的残体在表层堆积，为土壤提供了丰富的、富含氮的新鲜有机物质。在

CRediT作者贡献说明

Chiara Poesio：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、研究实施、数据分析、数据整理、概念构建。Noelia Garcia–Franco：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据整理。Franziska B. Bucka：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据整理。Christopher Just：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据整理。Giacomo Tosti：论文撰写——审阅与编辑、数据整理。Roland Bol：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、数据整理。Alberto

资金支持

本研究是在Agritech国家研究中心开展的，资金来自欧盟的Next–GenerationEU计划（国家复苏与韧性计划（PNRR）——第4任务组第2部分，投资项目1.4——批准编号1032，日期2022年6月17日，项目编号CN00000022）。本手稿仅反映作者的观点和意见，欧盟和欧洲委员会对此不承担任何责任。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Angelo Leccese在野外采样和样品制备方面提供的帮助，感谢慕尼黑工业大学生命科学学院的Ingrid K?gel–Knabner教授的盛情款待，同时也感谢Monika Heilmeier、Sigrid Hiesch和B?rbel Angres在实验室分析工作中给予的帮助。此外，作者还要感谢慕尼黑工业大学以及于利希的生物与地球科学研究所IBG?3农业圈的所有工作人员的协助

Chiara Poesio|Noelia Garcia–Franco|Franziska B. Bucka|Christopher Just|Giacomo Tosti|Roland Bol|Alberto Agnelli

意大利佩鲁贾大学农业、食品与环境科学系