3月28日，《自然》雜志旗下期刊《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、國家農(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)陳新平教授合作的研究論文《土壤有機(jī)碳閾值控制氮肥對農(nóng)田碳庫積累的影響》（Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide）。

該研究基于長期氮肥聯(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）背景下氮肥對土壤碳庫的影響機(jī)制，同時(shí)提出了全球農(nóng)田土壤氮肥促穩(wěn)定碳庫積累的土壤SOC本底閾值。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始有機(jī)碳含量低于1.5%時(shí)，氮肥促進(jìn)不穩(wěn)定的顆粒有機(jī)碳（POC）積累；當(dāng)超過該閾值時(shí)，氮肥施用則有利于穩(wěn)定的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MAOC）增加。本研究深化了農(nóng)田氮肥施用調(diào)控土壤碳庫積累的理解，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。

氮肥是作物生長發(fā)育的重要限制性因子，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要投入，對提高作物產(chǎn)量和保障糧食供應(yīng)具有重要意義。通過提升土壤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。因此協(xié)同土壤SOC提升與優(yōu)化氮肥管理對糧食生產(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氮肥施用的響應(yīng)存在較大差異，這可能歸因于土壤碳庫（POC和MAOC）對氮肥的差異響應(yīng)，導(dǎo)致碳庫的積累與穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同變化趨勢。氮肥對不同功能碳庫組分受到初始SOC含量調(diào)控，這一過程涉及土壤碳的“來源-轉(zhuǎn)化-穩(wěn)定”三重機(jī)制。但是氮誘導(dǎo)的土壤碳“來源-轉(zhuǎn)化-穩(wěn)定”過程在不同土壤肥力條件下可能存在差異，尚缺乏系統(tǒng)性研究。

圖1 四個(gè)點(diǎn)位試驗(yàn)POC和MAOC對氮肥的響應(yīng)

圖2 氮肥對不同肥力土壤碳庫組分的來源-轉(zhuǎn)化-穩(wěn)定的影響模式圖

本研究通過位于中國玉米主產(chǎn)區(qū)的四個(gè)長期氮肥聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氮肥在低肥力土壤中促進(jìn)更多的POC積累；在高肥力的土壤中傾向MAOC的增加（圖1）。進(jìn)一步分析表明，低肥力土壤中，氮肥加強(qiáng)微生物化學(xué)計(jì)量不平衡，表現(xiàn)為碳和養(yǎng)分限制加劇，微生物分解代謝加強(qiáng)，不利于微生物殘?bào)w的積累。因此，更多的植物源碳得以保留，并且在團(tuán)聚體保護(hù)增強(qiáng)作用下穩(wěn)定，從而促進(jìn)POC的積累。然而，在高肥力土壤中，氮肥緩解微生物的化學(xué)計(jì)量不平衡，促進(jìn)微生物合成代謝及殘?bào)w的積累。此外高肥力土壤礦物保護(hù)的增強(qiáng)，進(jìn)一步穩(wěn)定殘?bào)w，從而促進(jìn)MAOC的增加（圖2）。

全球的整合分析進(jìn)一步表明初始SOC介導(dǎo)氮肥對功能碳庫影響的具體閾值：POC 為14.8 g C kg-1；MAOC為13.2 g C kg-1（圖3）。與四個(gè)長期定位研究結(jié)果相同，在全球旱地農(nóng)田土壤中，氮肥促進(jìn)低肥力土壤中POC 積累，而在高肥力土壤中更有利于 MAOC積累。利用機(jī)器學(xué)習(xí)將結(jié)果擴(kuò)展至全球尺度（圖4），預(yù)測表明在過去十年，相較于未施肥，氮肥使 POC 和 MAOC 分別增加 26% 和 8.3%。具體而言，氮肥促進(jìn)低肥力土壤中 POC 增加 26%，高肥力土壤增加 22%。然而，施肥誘導(dǎo)的MAOC增長幅度較小，在低肥力土壤中增加 7%，而在高肥力土壤中增加 8%。

圖3 全球耕地土壤初始有機(jī)碳介導(dǎo)的氮肥對POC和MAOC積累的影響

圖4 氮肥對全球尺度旱地農(nóng)田的POC和MAOC積累的預(yù)測

資環(huán)學(xué)院農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展科學(xué)與工程專業(yè)博士生凌俊為論文第一作者。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)田靜副教授，西南大學(xué)陳新平教授為論文共同通訊作者。張福鎖院士全程參與并指導(dǎo)了該研究工作的具體設(shè)計(jì)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)崔振嶺教授，英國埃克塞特大學(xué)Jennifer A. J. Dungait教授，西班牙塞維利亞自然資源和農(nóng)業(yè)生物學(xué)研究所Manuel Delgado-Baquerizo研究員，德國哥廷根大學(xué)Yakov Kuzyakov教授，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)高強(qiáng)教授，西南大學(xué)張務(wù)帥副教授，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)陳遠(yuǎn)學(xué)教授，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)岳善超副教授參與指導(dǎo)了具體工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金（U32071629）、國家重點(diǎn)科技發(fā)展計(jì)劃（2023YFD1901500, 2022YFD1901300）、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才發(fā)展計(jì)劃和北京高精尖學(xué)科項(xiàng)目支持。

來源： 中國農(nóng)大新聞網(wǎng)