《CATENA》：Deep soil particle-size structure and Fe/Al oxides covary with mineral-associated organic carbon under long-term nitrogen addition in an alpine grassland
编辑推荐：
•长期施用氮肥主要改变了深层土壤的颗粒大小结构。•多重分形指标检测到超出传统质地分类的颗粒大小分布（PSD）变化。•所有深度下的有机碳质量（MAOC）均有所下降；土壤有机质（POC）的变化随深度而异。•氮肥诱导的POC增加抵消了表层和深层土壤中MAOC的损失。•在施用氮肥的情况下
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长期施用氮肥主要改变了深层土壤的颗粒大小结构。
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多重分形指标检测到超出传统质地分类的颗粒大小分布（PSD）变化。
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所有深度下的有机碳质量（MAOC）均有所下降；土壤有机质（POC）的变化随深度而异。
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氮肥诱导的POC增加抵消了表层和深层土壤中MAOC的损失。
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在施用氮肥的情况下，深层土壤的PSD和Feo + Alo与MAOC存在相关性。
引言
在过去的一个世纪里，人类活动显著增加了全球大气中的氮沉降（Zhu等，2025年），这种持续的氮输入持续影响了土壤有机碳（SOC）的动态（Wang等，2024年）。SOC由功能各异的组分组成，它们对长期氮富集的反应可能不同（Cotrufo等，2019年；Liu等，2025年）。颗粒有机碳（POC）主要来源于植物残体，更容易受到外部干扰；其持久性在很大程度上取决于其内在的生化抗性以及土壤团聚体提供的物理保护（Cotrufo等，2019年）。相比之下，与矿物相关的有机碳（MAOC）是通过微生物产物和残体与细小矿物颗粒的结合形成的，通常被认为更稳定（Cotrufo和Lavallee，2022年）。因此，了解长期施用氮肥下POC和MAOC的形成和积累过程对于维持和增加SOC储量非常重要。SOC在POC和MAOC之间的分配受到有机输入的数量和质量、微生物转化以及物理化学保护的共同调节（Liang等，2017年；Cotrufo等，2022年）。土壤颗粒组成在这一点上起着关键作用，因为它影响了矿物质的表面可用性和对有机物的物理保护（Kleber等，2021年；Mao等，2024年）。具体来说，粉粒和黏粒大小的颗粒有利于MAOC的形成和积累，因为它们为有机物提供了反应性的矿物表面，而POC的持久性则更依赖于团聚体介导的物理保护（Haddix等，2020年；Cotrufo和Lavallee，2022年；Mao等，2024年）。然而，目前尚不清楚土壤颗粒大小结构是否有助于解释不同SOC组分对长期氮沉降的反应。
这一知识空白在高山草原尤为重要，因为在高山草原中，颗粒大小结构可能在调节SOC组分方面发挥着比通常认为的更重要的作用。在大多数生态系统中（例如，森林、温带草原和湿地），SOC组分的变化主要归因于生物过程，如碳输入、枯落物质量和微生物活动（Chen等，2020年；Liu等，2025年）。相比之下，土壤颗粒大小结构通常被视为一个相对稳定的属性，它限制了矿物质的表面可用性和团聚体的形成，因此主要用于解释SOC的稳定化，而不是作为SOC积累的动态调节因素。然而，高山草原可能不符合这一传统框架。持续的低温度、频繁的冻融循环（Deng等，2025年）、土壤发育不良（Zhao等，2022年）和脆弱的团聚体结构（Dong等，2019年）可能会限制植物的碳输入和微生物活动（Donhauser和Frey，2018年）。在这些条件下，POC和MAOC对氮肥的反应可能不仅受生物过程的控制，土壤物理和结构途径的相对重要性可能会增加。颗粒大小分布及其相关的微观结构特征可能进一步通过调节矿物结合位点（Mao等，2024年）、团聚体稳定性（Zhao等，2024年）、孔隙微环境和微生物栖息地（Lee等，2023年；Schlüter等，2022年）来影响碳的分解、转运和稳定化。目前，关于高山草原中氮肥作用的研究主要集中在植物来源的输入和微生物过程（Chen等，2021年；Yuan等，2020年），而颗粒大小结构的作用尚未得到充分研究。此外，以往的研究通常使用黏粒、粉粒和沙粒的比例来表征颗粒大小效应（Mao等，2024年；Yang等，2024年；Zhang等，2024年）。这些宽泛的质地指标可能无法捕捉到颗粒大小分布的连续变化和异质性（Liu等，2024a；Pan等，2025年）。分析完整的颗粒大小分布可以更好地检测土壤颗粒系统内的变化，而多重分形理论为描述颗粒大小分布曲线中的变异性提供了一个定量框架（Lv等，2024年；Paz-Ferreiro等，2010年）。因此，基于多重分形理论对土壤颗粒系统进行连续尺度分析可能有助于阐明高山草原中SOC组分对长期氮添加的反应。
此外，大多数关于氮输入对POC和MAOC影响的研究都集中在表土层（大约20厘米以上）（Chen等，2021年；Liu等，2025年；Püsp?k等，2022年），因为那里的有机碳含量和周转率通常最高（Conant等，2001年）。然而，最近在高山草原进行的研究表明，更深层的土壤是生态系统SOC储存的主要组成部分，SOC的积累和稳定表现出明显的深度依赖性（Wang等，2026年；Zhou等，2026年）。根系分布、溶解有机碳的垂直运输、养分淋溶和迁移以及微生物对碳和氮资源的竞争也影响深层土壤，从而影响整个土壤剖面中的不同SOC组分（Feng等，2026年；Tang等，2023年）。最近的研究进一步表明，在氮输入下POC和MAOC的相对贡献并非沿土壤剖面恒定，而是随土壤深度显著变化，土壤颗粒是这一过程的重要驱动因素（Feng等，2026年；Hu等，2024年）。特别是在深层土壤中，由于新鲜的植物残体输入减少且微生物周转相对受限（Zhou等，2026年），SOC组分的形成和稳定可能更强烈地依赖于颗粒大小结构，这通过调节矿物表面可用性（Mao等，2024年）、孔隙空间配置（Lee等，2023年）和与团聚体相关的物理保护（Zhao等，2024年）来实现。因此，需要进行一项综合考虑土壤深度和土壤颗粒大小结构的综合研究，以评估颗粒大小结构的变化是否有助于解释不同SOC组分对长期氮输入的深度依赖性反应。
我们在中国新疆的巴音布鲁拉克高山草原进行了长期氮添加实验来探讨这些问题。该实验始于2009年，持续至今，模拟了氮沉降的梯度，使我们能够研究0-60厘米土壤剖面中SOC组分对长期氮添加的反应。我们关注了三个问题：（1）长期氮添加是否改变了土壤颗粒大小结构，这些变化是否具有深度依赖性？（2）不同的SOC组分是否对长期氮添加表现出特定的深度响应？（3）土壤颗粒大小结构的变化是否有助于解释SOC组分对长期氮添加的深度依赖性反应？我们假设长期氮添加不会显著改变黏粒、粉粒和沙粒的传统比例，但会改变连续尺度的颗粒大小分布特征。我们还预期这些颗粒大小结构的变化将与SOC组分的变化相关，并且这种相关性会随土壤深度而变化，在较深的土壤中变得更加明显。
章节摘录
研究地点和实验设计
实验在中国新疆的巴音布鲁拉克草原生态系统研究站进行（地理位置：东经83°42′ 26.30″，北纬42°52′57.85″）。该地点自1984年以来就被围栏隔离，禁止牲畜放牧。该地海拔约为2470米，属于高原山气候。年平均气温和降水量分别为-4.8°C和265.7毫米（Geng等，2019年）。植物群落以禾本科植物为主
长期氮添加对植被和土壤物理化学性质的影响
长期氮添加对植被的影响因指标而异（图1）。长期氮添加对植被覆盖度（VC）没有显著影响（图1a）。相比之下，叶面积（SR）（图1b）和地上生物量（AGB）（图1c）对氮添加有显著响应（p < 0.05）。具体来说，高氮处理下的SR显著低于对照组和中等氮处理组，但与低氮处理组没有显著差异。而高氮处理下的AGB显著高于对照组和低氮处理组
讨论
十六年的氮添加使表层土壤酸化，降低了水分含量，减少了植物物种丰富度，并增加了地上生物量（表1，图1）。这些变化与已知的氮富集综合症一致（Ma等，2025年；Tian和Niu，2015年；Bobbink等，2010年），也与碳动态相关，因为改变的植物生产力和土壤化学性质会影响有机物的输入和矿物-有机物的结合（Wang和Kuzyakov，2024年）。尽管如此，
结论
基于一项为期16年的田间氮添加实验和从0到60厘米的深度解析土壤采样，本研究表明，长期氮添加并未显著改变黏粒、粉粒和沙粒的比例，但与深层土壤颗粒大小分布的变化密切相关，使其趋向于更加均匀和复杂。同时，氮添加重新分配了土壤剖面中的有机碳组分：在表层和深层土壤中，增加的POC抵消了MAOC的下降，而
CRediT作者贡献声明
南部富森：撰写——初稿，可视化，方法学，正式分析。段思俊：调查，正式分析。赵元奇：调查，正式分析。杨晓倩：调查，正式分析。李凯辉：撰写——审稿与编辑。王晓波：撰写——审稿与编辑，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了新疆人才发展基金（XJRC-2025-KJ-PY-KJLJ-094）、国家自然科学基金的一般项目（32271716）、甘肃省创新平台计划项目（26JDWA001）、甘肃省自然科学基金的优秀博士项目（24JRRA497）以及兰州大学的引进人才启动研究基金（561120205）的支持。我们声明所有作者均无利益冲突。
南部富森|段思俊|赵元奇|杨晓倩|李凯辉|王晓波
