黄土高原混交林水平梯田增强土壤有机碳垂直分布：微生物机制与碳组分动态

《CATENA》：Level terraces enhance the vertical distribution of soil organic carbon in mixed forests: microbial mechanisms and carbon fraction dynamics on the loess plateau

　　

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  水平梯田提升了0–100厘米剖面中的土壤有机碳（21.56%–84.21%）及其组分。
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  “高输入-高周转-高固持”是水平梯田土壤有机碳积累的核心。
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  水平梯田通过改善养分有效性重塑微生物资源获取。
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  整地和土壤深度通过土壤养分、胞外酶活性和微生物化学计量比的耦合来调节土壤有机碳。

引言

土壤有机碳（SOC）库是全球最大的陆地碳库。作为碳-气候反馈的核心调节因子，土壤有机碳的微小变化都可能影响陆地碳循环和大气CO₂浓度，从而在维持全球生态平衡中发挥关键作用（Georgiou等，2022）。土壤侵蚀是一个主要的全球环境问题（Dlamini等，2011）。侵蚀过程严重破坏了土壤有机碳的动态平衡（Qiu等，2021），加剧了生态退化和气候不稳定，直接威胁长期可持续发展（Zhang等，2026）。

在不同坡度上修建梯田是控制中国黄土高原水土流失的关键管理措施（Huang等，2024；Kang等，2024）。梯田通过创造具有不同结构的微地形单元（如梯田面、田埂和微洼地），主动重塑了易受水力侵蚀的脆弱坡面形态（Wei等，2016）。这种形态重塑有效地减弱了坡面径流对表土的冲刷破坏（Chen等，2017）。通过改变土壤容重、优化土壤孔隙的数量和分布以及改善土壤团块稳定性，梯田为土壤有机碳的输入、转化、固持以及微生物活动创造了更有利的条件（Qi等，2020；Xiao等，2021）。

所有类型的梯田都能增强土壤有机碳储存，与自然坡地相比（Chen等，2020b）。由于整地措施的不同，不同梯田类型（如水平梯田、反坡梯田和鱼鳞坑）在碳固持效应上存在一定差异。造林工程与梯田的结合对区域生态过程产生重大调节作用。它有效地减少了水土流失敏感区域的水土侵蚀强度（Bai等，2024），并增强了土壤有机碳固持能力（Zhang等，2025；Shi等，2023）。从宏观角度来看，过去三十年间梯田覆盖率增加了65.09%，梯田的大规模扩展增强了黄土高原的土壤有机碳储存（Shi和Wei，2025）。然而，当梯田结构受损或废弃时，可能会发生一系列问题，如土壤侵蚀、养分流失和缺水（Li等，2022），这可能导致土壤有机碳损失（Tarolli等，2014）。

作为黄土高原分布最广的梯田类型，水平梯田覆盖了从丘陵地区到残塬区和沟谷区的主要地貌单元。它们也跨越了各种退化林地和生态恢复项目区（Chen等，2020b，Shi和Wei，2024）。然而，水平梯田整地措施调节垂直土层中土壤有机碳组分、养分有效性和微生物特征之间相互作用的微观机制，进而影响土壤有机碳的机理仍不清楚。此外，大多数研究集中在表土，而在水平梯田整地措施下，多层垂直土壤剖面中的土壤有机碳响应机制可能有所不同。因此，本研究旨在：（1）探索微生物特征与调节土壤养分有效性的因素之间的关联；（2）分析水平梯田中土壤有机碳及其组分的垂直变化；（3）阐明微生物特征调节水平梯田土壤有机碳的潜在微观机制。本研究的发现加深了我们对水平梯田土壤碳固持机制的理解，并为黄土高原及类似地区的精细化生态管理和针对性碳库调节策略提供了重要的科学依据，有助于人类社会的可持续发展。

部分摘要

地点描述

研究区位于陕西省榆林市绥德县辛店沟小流域（110°16′45″E ～ 110°20′00″E，37°29′00″N ～ 37°31′00″N）。该地区属于黄土高原内部的典型黄土丘陵沟壑区，流域面积为1.44 km²，海拔在840至1480米之间（图1）。该地区的主要土壤类型为黄土。流域具有典型的温带大陆性半干旱气候，年平均降雨量为

土壤有机碳组分

总体而言，水平梯田土壤中的土壤有机碳及其组分通常高于自然坡地土壤（图2a–d）。此外，我们发现水平梯田0–40厘米土层中的土壤有机碳显著高于40–100厘米土层；同时，40–100厘米土层的土壤有机碳组分在不同深度逐渐趋于稳定（图2a–d，p < 0.05）。线性回归分析表明，在水平梯田和自然坡地土壤中，土壤有机碳显著

整地措施和土壤深度对微生物特性的重塑

在自然坡地上，持续的坡面侵蚀不断去除土壤颗粒和附着的有机质（Zhou等，2024），而富含碳酸钙的母质促进了磷酸盐沉淀（Xu等，2022）。这种长期的营养胁迫环境在整个土壤剖面中维持着碳磷共同限制。相比之下，水平梯田的表土（0–20厘米）表现出碳氮共同限制。水平梯田表土的养分富集诱导了

结论

我们的研究揭示，微生物驱动的“高输入、高周转、高固持”动力学机制是水平梯田土壤碳库积累增强的核心。水平梯田整地措施显著改变了垂直剖面中的土壤有机碳分布，有效增加了土壤有机碳及其活性组分，凸显了水平梯田更活跃的碳积累特征。微生物特性被确定为主要的

CRediT作者贡献声明

李哲：撰写-初稿，可视化，调查研究，数据整理，概念构思。张宁：验证，数据整理。王子明：可视化，调查研究，数据整理。冯瑞坤：方法学，概念构思。陈艺乔：软件，调查研究。刘正华：资源，调查研究。王文帆：软件，数据整理。刘家宾：撰写-审阅与编辑，监督。王健：撰写-审阅与编辑，监督，方法学，资金获取

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在本工作准备过程中，作者使用ChatGPT进行校对和语言润色。作者根据需要审查和编辑了输出内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些情况可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金（42377332）的支持。

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