氮肥是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要限制性因子，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要投入，對(duì)提高作物產(chǎn)量和保障糧食供應(yīng)具有重要意義。通過(guò)提升土壤有機(jī)碳（SOC）含量，進(jìn)而促進(jìn)耕地質(zhì)量，也是促進(jìn)生產(chǎn)力提升的重要途徑。因此土壤SOC提升與優(yōu)化氮肥管理對(duì)糧食生產(chǎn)和耕地質(zhì)量提升具有重要意義。目前大量研究表明土壤固碳對(duì)氮肥施用的響應(yīng)存在較大差異，這可能歸因于土壤碳庫(kù)[顆粒有機(jī)碳（POC）和礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）]對(duì)氮肥的差異響應(yīng)，導(dǎo)致碳庫(kù)的積累與穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。

　　近日，《Nature Communications》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院張福鎖院士團(tuán)隊(duì)田靜副教授與西南大學(xué)陳新平教授團(tuán)隊(duì)合作的研究論文（Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide）。該研究基于長(zhǎng)期氮肥聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)合全球尺度整合分析，探究了不同初始土壤有機(jī)碳（SOC）背景下氮肥對(duì)土壤碳庫(kù)的影響機(jī)制，同時(shí)提出了全球農(nóng)田土壤氮肥促穩(wěn)定碳庫(kù)積累的土壤SOC本底閾值。

　　通過(guò)對(duì)全球118個(gè)農(nóng)田站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，首次確定15 g C kg?1土壤有機(jī)碳（SOC）是氮肥影響碳積累的關(guān)鍵閾值（圖1）：

圖1 研究地點(diǎn)的全球分布，以及在全球旱作耕地土壤中，施氮與初始土壤有機(jī)碳（SOC）之間的相互作用對(duì)顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳（POC和MAOC）的影響

　　貧碳土壤（SOC＜15 g C kg?1）：氮肥促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)和團(tuán)聚體形成，使顆粒有機(jī)碳（POC）積累增加105%；

　　富碳土壤（SOC＞15 g C kg?1）：氮肥提升微生物代謝效率（qCO?下降13.6%），礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）增加15%。

　　研究團(tuán)隊(duì)在4個(gè)中國(guó)典型農(nóng)田（曲周、長(zhǎng)武、四平、雅安）開(kāi)展十年定位試驗(yàn)（圖2），使用PP Systems公司EGM-5便攜式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)（圖3），揭示了氮肥調(diào)控微生物代謝效率的關(guān)鍵證據(jù)：

　　樣品處理：取30g土壤（60%持水量）置于250ml培養(yǎng)罐；

　　連續(xù)監(jiān)測(cè)：在25℃恒溫下，于第1、3、5、7、14、21、28天用EGM-5注射模式測(cè)量CO?釋放量。

圖2長(zhǎng)期氮肥試驗(yàn)中POC和MAOC的響應(yīng)差異

　　富碳土壤：氮肥使qCO?顯著降低13.6%，微生物將更多碳轉(zhuǎn)化為生物量而非呼吸消耗；

　　貧碳土壤：氮肥加劇微生物碳限制，qCO?上升，阻礙碳向礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）轉(zhuǎn)化。

圖3 植物-微生物-土壤互作驅(qū)動(dòng)POC和MAOC的差異響應(yīng)

　　基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型（梯度提升決策樹(shù)），團(tuán)隊(duì)繪制了全球10km分辨率碳庫(kù)變化圖（圖4）：

　　當(dāng)前氮肥施用使全球農(nóng)田POC增加26%，MAOC增加8.3%；

　　區(qū)域差異顯著：東亞/北美：POC增幅最大（27-26%）非洲：POC響應(yīng)微弱（中性）；

　　富碳土壤中MAOC提升更持久：其礦物保護(hù)機(jī)制可抵抗氣候變暖的分解效應(yīng)，需采用差異化施肥策略。

圖4全球農(nóng)田POC和MAOC對(duì)氮肥的響應(yīng)預(yù)測(cè)

　　貧碳土壤（如華北平原）：增施氮肥→快速提升POC→短期改善土壤結(jié)構(gòu)，需配合秸稈還田增強(qiáng)保護(hù)；

　　富碳土壤（如西南黑土區(qū)）：控氮優(yōu)化→促進(jìn)微生物碳泵→長(zhǎng)期固碳，警惕過(guò)量氮肥加劇酸化破壞礦物保護(hù)。

圖5氮肥影響SOC積累的概念模型

　　本研究揭示了土壤有機(jī)碳（SOC）初始含量是調(diào)控氮肥對(duì)農(nóng)田碳匯效應(yīng)影響的關(guān)鍵因素，并提出了15 g C kg?1的關(guān)鍵閾值。研究結(jié)果表明，在SOC含量低于該閾值的土壤中，氮肥主要通過(guò)促進(jìn)植物碳輸入和團(tuán)聚體形成顯著增加顆粒有機(jī)碳（POC）；而在SOC含量高于該閾值的土壤中，氮肥則通過(guò)提高微生物代謝效率、增加微生物殘?bào)w產(chǎn)量并強(qiáng)化礦物保護(hù)作用，顯著提升礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）的積累。本研究深化了農(nóng)田氮肥施用調(diào)控土壤碳庫(kù)積累的理解，也為高效的農(nóng)田碳氮管理提供了重要的理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)，有助于提升耕地質(zhì)量和生產(chǎn)力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。