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Hualing HU, Liang ZHAO, Wenbing TAN, Guoan WANG, Beidou XI. Discrepant responses of soil organic carbon dynamics to nitrogen addition in different layers: a case study in an agroecosystem. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(2): 314‒325 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024565
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经验研究表明，土壤氮有效性的提高可能会降低微生物对土壤有机碳 (SOC) 的分解。然而，SOC周转对氮添加的响应与土壤深度之间的关系尚不明确。本研究采用碳氮稳定同位素方法，在不同氮肥施用水平的土壤中，采样至100 cm深度，以研究新旧碳对不同土层SOC的贡献。低氮处理 (250 kg·ha−1·yr−1) 的土壤周转时间大约为20至40年。相比之下，高氮处理(450 kg·ha−1·yr−1) 的SOC周转时间更长，上层10‒20 cm土层可达100年左右。低氮处理导致的全土层SOC增加主要来自上层土壤 (0‒40 cm) 的增加，而高氮处理则主要是由于深层土壤 (40‒100 cm) 中SOC的增加。整个土层中，低氮处理促进了新有机碳的积累，尤其是在表层土壤。相比之下，高氮处理则通过将有机物质从表层土壤转移到更深层的土壤，增加了深层土壤中SOC的固定。本研究为氮沉降增加条件下深入了解深层碳的动态提供了独特见解，有助于制定土壤碳管理政策。
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土壤是地球上最大的陆地生态系统中的有机碳库。全球土壤表层一米内储存的碳量高达约1500 Gt，这超过了陆地植物和大气中碳的总和。因此，土壤有机碳（SOC）库即使微小变化也可能显著影响大气中的二氧化碳浓度，进而影响气候变化。SOC库的变化受多种自然因素影响，如植物残体输入、温度、降水、土壤物理化学属性和质地等。此外，人为因素如土地利用变化、放牧、耕作和施肥也通过改变植物生长和微生物活动来影响SOC库的规模。通常，SOC库的大小由碳的输入和输出的动态平衡决定。当碳的输出超过输入时，土壤失去碳汇功能，可能导致更多碳排放到大气中，加剧全球环境问题，如增强大气温室效应。
微生物分解是SOC输出的主要途径，也是陆地生态系统土壤碳循环的关键环节。微生物呼吸释放的二氧化碳量是衡量SOC质量和养分循环速度的重要指标。微生物呼吸作用与微生物的活性、数量、群落组成及结构密切相关，并受温度、湿度、活性有机碳组分和土壤质地等非生物因素的影响。此外，微生物呼吸对人类活动如耕作和施肥等干扰极为敏感，这些活动可以显著改变微生物的呼吸速率和产物，从而影响土壤碳的循环和固存。
1. 实验地点与气候特征：本研究在中国北京海淀区西辛力屯村东进行，该地区具有温带半湿润大陆性季风气候，夏季多雨，冬季干燥。
2. 土壤特性：研究区域的土壤为潮土和砂壤土，pH值介于6.8至7.1。
3. 实验设计：设立九个实验地块，分别进行三个不同水平的氮肥处理 (0、250、450 kg·ha−1·yr−1 N)，每个处理有三个重复。
4. 植被转变：2006年将植被从C3植物转变为C4植物（玉米），并进行了相应的施肥管理。
5. 土壤样本采集：2011年11月采集了0‒100 cm深度的土壤样本，用于后续分析。
6. 土壤物理化学性质测定：测量土壤容重、有机碳密度、氮密度等指标，采用元素分析仪和质谱仪进行土壤中总有机碳和总氮的测定。
7. 稳定同位素分析：利用13C和15N的自然丰度，通过两箱混合模型计算新旧碳对SOC的贡献，并估算SOC的周转时间。
8. 数据分析：数据以算术平均值±标准偏差表示，采用SPSS 18.0进行统计分析，并使用OriginPro 2021软件进行数据可视化。
1. 氮添加对土壤有机碳和全氮含量的影响 (图 1)：与对照组相比，施氮处理显著增加了土壤中的有机碳 (SOC) 和总氮含量。在整个土层中，低氮处理的SOC和总氮含量分别比对照组高出约5%和7%，高氮处理则分别高出约50%和35%。
2. 土壤深度对SOC和总氮含量差异的影响 (图 2)：在0–20 cm土层中，不同处理间的SOC和总氮含量没有显著差异。然而，在20–100 cm土层中，高氮处理的SOC和总氮含量显著高于对照组。对于低氮处理，20–40 cm和70 cm以上的SOC含量高于对照组，但在40–70 cm土层中则相反。
3. 土壤有机碳和总氮的垂直分布特征 (图 2(c,d))：低氮添加使得0–40 cm土层的SOC和总氮含量相对于对照组分别增加了6%和13%，在40–100 cm土层中分别增加了2%和10%。高氮添加在0–40 cm土层中使SOC和总氮含量相对于对照组分别增加了18%和13%，在40–100 cm土层中分别增加了115%和67%。
4. 土壤粘土含量的垂直分布特征 (图 3)：在0–35 cm的表层土壤中，相对于对照组，土壤粘土含量没有明显变化。35–60 cm土层的粘土含量达到峰值，随后随深度逐渐降低。低氮处理下，土壤粘土含量在表层没有显著变化，但在深层出现波动。高氮添加下，土壤粘土含量呈现轻微下降趋势。
5. SOC δ13C和总氮δ15N的垂直分布特征 (图 4)：在对照组中，表层土壤 (0–5 cm) 的SOC δ13C值约为–25‰，表明植被覆盖主要为C3植物。施用氮肥后，表层土壤的δ13C值显著增加，特别是在低氮添加条件下。随着深度的增加，δ13C值在三个处理中均呈上升趋势。总氮的δ13N在整个土壤剖面中的变异范围分别为控制组4.0‰至7.4‰，低氮处理4.6‰至6.4‰，高氮处理4.5‰至6.8‰。
6. 新旧有机碳库的估算和有机碳的周转时间：控制组土壤的SOC δ13C值代表了原始C3植物覆盖下各土层的δ13C值。通过假设氮添加处理中SOC的δ13C值变化与对照组一致，计算了来自玉米C4植物源的新有机碳输入比例。新有机碳的比例在低氮添加条件下高于高氮添加，但两者均不超过40%。SOC的周转时间受氮添加显著影响，低氮添加下0–20 cm土层的SOC周转时间在20–30年之间，而高氮添加下0–5 cm土层约为35年，5–20 cm土层可达100年。
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氮肥的添加与对照地块相比显著增加了SOC，但其增加幅度因施氮量的不同而异。在高氮添加条件下，SOC的固定潜力明显提高，这主要得益于减少了耕作和增加了作物秸秆的还田。在两种氮肥施用水平下，SOC的周转速率也存在显著差异。在低氮条件下，0‒20 cm土层的SOC周转时间约为20至40年，而在高氮条件下，10‒20 cm土层的周转时间则可延长至约100年。高氮添加主要通过将有机物质从表层转移到更稳定的深层土壤来增强SOC的固定。相比之下，低氮添加条件下，深层土壤中的有机物质主要来源于新有机碳的贡献，其周转速率较高，因此SOC的固存能力不如高氮添加条件下的强。
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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