引言
黑土以其黑色或暗棕色腐殖质层和高有机质含量为特征，是全球关键的农业资源（FAO, 2022），相当于中国土壤分类中的等腐殖土、俄罗斯土壤分类系统中的黑钙土或美国土壤分类系统中的 mollisols（留氏土，Liu et al., 2012）。中国东北黑土区是世界四大黑土区之一（Sorokin et al., 2021），也是中国重要的农业生产基地。然而，自20世纪初中国东北黑土区大规模农业开发以来，表土有机碳密度平均减少了5.51 MgC ha?1（Qing et al., 2025），从而限制了黑土资源的可持续利用。除农业价值外，土壤有机碳（SOC）是陆地碳库的重要组成部分，在缓解气候变化方面发挥着重要作用（Lehmann and Kleber, 2015）。因此，确定控制黑土SOC的关键因素对于保障粮食安全和实现碳中和目标至关重要。
中国东北黑土区的SOC表现出强烈的空间异质性（Wang et al., 2025），其组成和结构也较为复杂。在现有的分异方案中，SOC可根据粒径分为颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC），这能更好地反映SOC在自然环境中的状态（Lavallee et al., 2020）。POC主要由轻质且未完全分解的植物残体组成，更容易受到气候和人为干扰的影响，通常被认为是不受保护的组分（Lavallee et al., 2020; Liu et al., 2025a, Liu et al., 2025b）。MAOC由与矿物强烈结合的低碳分子量化合物组成，被认为是更稳定的组分（Lavallee et al., 2020; Sokol et al., 2019）。因此，MAOC和POC相对含量的变化对SOC的物理稳定性起着主要控制作用（Cotrufo et al., 2019; Lugato et al., 2021; Liu et al., 2025a, Liu et al., 2025b）。因此，量化黑土中MAOC和POC含量的相对变化及其对环境因子的差异性响应，对于阐明黑土环境中SOC稳定的机制至关重要。
MAOC和POC受气候和土壤性质的控制：随着温度升高和降水减少，两个碳库均显著下降（Díaz–Martínez et al., 2014）。此外，金属氧化物——尤其是铁（Fe）和铝（Al）氧化物——对MAOC含量起着主要控制作用（Kleber et al., 2021; Wu et al., 2025）。Fe和Al氧化物主要存在于pH值较低的土壤中，而钙（Ca）在pH值较高的环境中占主导地位，同样可以稳定SOC（Wen et al., 2025）。然而，Fe和Al氧化物、Ca以及它们与有机碳的结合物对黑土中MAOC和POC的影响目前尚不清楚。目前关于黑土中MAOC和POC含量及其影响因素的研究主要集中在田间试验和土壤表面研究方面（Li et al., 2025a, Li et al., 2025b; Lyu et al., 2025）。但在区域尺度上，表层土壤经历更宽的温湿变化范围，而心土环境随深度差异显著，这意味着MAOC和POC的驱动因子可能会发生转变。然而，关于这种转变在整个深度和中国整个黑土区域范围内尚缺乏系统证据。
SOC的积累受到土壤保存有机碳能力的限制，例如有机碳与矿物之间的相互作用。因此，MAOC的积累可随时间推移达到饱和状态（Gulde et al., 2008; Stewart et al., 2007）。MAOC的饱和水平在很大程度上取决于细土颗粒（粉砂和黏土）与有机碳之间的相互作用（Hassink and Whitmore, 1997），导致许多研究使用线性回归和边界线来估算MAOC的饱和能力（Beare et al., 2014; Wiesmeier et al., 2014; Georgiou et al., 2022; Wu et al., 2025）。边界线和分位数可以捕捉观测值的上部百分位数，从而尽可能准确地预测MAOC的最大碳容量（Georgiou et al., 2022）。基于这一理论框架，在未经干扰、成土过程发育长期的自然生态系统中，MAOC可能已接近饱和水平。然而，中国东北黑土区MAOC饱和度的系统量化仍然缺乏，尤其是自然生态系统与农田生态系统之间的比较评估。
在此，我们在中国东北黑土区沿1500公里的气候梯度开展了剖面调查，采集了16个自然土地利用条件下的黑土剖面（约200厘米），并整合文献（补充参考文献）编制了172条农田和自然土地的表层记录。利用线性混合效应模型、13C NMR波谱和地理空间建模，我们实现了三个目标：(1) 探索MAOC和POC含量及SOC物理稳定性的垂直分布模式和控制因素；(2) 评估MAOC和POC含量、SOC物理稳定性和碳饱和度的水平分布模式及驱动因素；(3) 比较黑土中自然土地与农田之间这些指标的差异。
