长期施氮对芒草（Miscanthus × giganteus）种植下土壤深度剖面中根系特征、微生物活性及有机碳库的影响

氮肥添加对高羊茅根系及土壤碳动态的影响表明，尽管表层土壤微生物活动受限，但深层土壤的有机碳稳定性未受显著影响。

　　
本研究聚焦于高寒作物——斑茅（Miscanthus × giganteus）长期氮肥管理对地下碳动态的影响，特别关注0-120厘米土层中根系、微生物活动及有机碳库的响应机制。经过12年的连续氮肥施用实验（0、30、60、120、240 kg N/ha/年），研究发现氮肥输入对深层土壤有机碳（SOC）的储存与稳定性影响有限，揭示了生物地球化学循环中多个过程的耦合作用。

### 一、研究背景与科学问题
在能源作物种植系统中，氮肥管理是影响作物生长和土壤碳汇功能的关键因素。斑茅作为典型C4能源作物，具有深根系特征（最大可达3米）和显著的土地利用效率（Heaton等，2008）。然而，现有研究多聚焦于表层土壤（0-20厘米），缺乏对深层土壤碳动态的系统分析。深层土壤（>20厘米）储存了约70%的陆地有机碳（Jobbágy和Jackson，2000），其碳库的响应机制与表层存在显著差异。本研究通过12年的长期定位试验，揭示氮肥输入对斑茅根系分布、微生物代谢及土壤碳库的垂直分层效应，为精准农业管理和碳汇评估提供理论依据。

### 二、实验设计与核心发现
#### （一）实验设计
研究在韩国首尔国立大学实验站建立，2011年种植斑茅，采用随机区组设计（5个氮水平×4重复），氮肥以尿素形式每年3月施用。2023年进行系统采样，覆盖0-120厘米土层，重点分析：
1. 根系生物量及氮素分配特征
2. 微生物基础呼吸与酶活性响应
3. 有机碳库（SEOC、POC、MAOC）的垂直分布
4. 土壤化学参数（pH、TN、OMC）的耦合效应

#### （二）核心发现
1. **根系动态的双向调节**
- 高氮（240 kg/ha/年）导致地上生物量增加37%，但根系生物量下降至对照组的32%（图1a,b）。
- 根系氮含量随施氮量线性上升（p<0.001），但C/N比降低42%-67%，显示氮素奢侈吸收特征（图1e,f）。
- 深层根系（60-90厘米）在60N处理下生物量达峰值，证实斑茅存在显著的垂直根系分布响应。

2. **微生物活动的分层响应**
- **表层土壤（0-20厘米）**：
- 基础呼吸量降低至对照组的18%（240N处理），显示氮饱和抑制（p<0.001）。
- 微生物生物量C下降28%-41%，与高氮诱导的C限制相吻合（图3a,b）。
- 酶活性呈现“营养替代效应”：
- 纤维素酶（BG）特异性活性提升2.3-4.1倍（p<0.01），补偿C获取能力。
- 过氧化氢酶（PER）活性在240N处理下激增5.8倍（p<0.001），反映木质素分解压力。
- **深层土壤（60-120厘米）**：
- 微生物生物量C仅占表层土壤的15%-23%，酶活性普遍低于表层。
- 60N处理下，根系生物量与BG活性呈显著正相关（r=0.79，p<0.001），显示垂直物质转运的耦合机制。

3. **有机碳库的稳定性特征**
- **表层土壤（0-20厘米）**：
- SEOC和POC分别下降19%和15%（240N vs 0N），但未达统计学显著水平（p=0.072和0.089）。
- MAOC保持稳定，pH下降0.8单位（240N vs 0N）与根系分泌物产生的H+缓冲作用抵消。
- **深层土壤（60-120厘米）**：
- 所有碳库（SEOC、POC、MAOC）均未受氮处理显著影响（p>0.05）。
- 深层土壤pH在240N处理下上升0.3单位，反映深根系对土壤酸碱度的调节能力（图2d）。

### 三、关键机制解析
#### （一）氮素输入的垂直运移效应
硝态氮（NO3?）在表层土壤达到峰值后，通过根系通道向深层迁移（Ding等，2019）。本实验中，120-240 kg N/ha/年处理导致20-40厘米土层NO3?浓度上升1.8-2.3倍（p<0.01），但120厘米以下土层未检测到显著变化（p>0.05）。这可能与斑茅根系在60-90厘米处的生物量高峰形成“化学屏障”，阻碍NO3?的深层穿透。

#### （二）微生物代谢的时空分异
1. **表层限制-酶补偿模型**
高氮输入导致表层微生物面临C限制（呼吸量降低62%，p<0.001），迫使微生物通过：
- 提升纤维素酶（BG）活性至3.2 μmol/g·h（240N vs 0N，p=0.002）
- 增加木质素分解酶（PER）活性至8.7 μmol/g·h（240N vs 0N，p<0.001）
这种“营养替代”策略使表层SEOC和POC损失率降低至18%和12%，但未突破阈值。

2. **深层中性化调节机制**
深层土壤（>40厘米）pH在240N处理下上升0.3单位（p=0.015），与根系释放的有机酸中和有关（Chen等，2023）。中性化环境抑制了微生物的硝化作用（Naphthaenundu等，2017），间接保护了MAOC稳定性。

#### （三）有机碳库的缓冲机制
1. **SEOC的动态平衡**
尽管微生物需求增加，但SEOC在表层土壤仅下降7%（240N vs 0N，p=0.087）。这源于：
- 根系分泌物（如多糖、酚类）直接贡献SEOC（Kaňová等，2014）
- 高氮诱导的木质素过氧化物酶（PER）活性提升加速了腐殖化过程（p=0.028）

2. **POC的垂直分选效应**
粒状有机碳（POC）在表层土壤占主导（72%），而深层土壤（60-120厘米）POC占比降至38%-42%。这可能与根系残体（>53μm）的垂直分布模式有关（图1c），深层土壤POC输入主要依赖植物残体淋溶，而非直接根系分泌物。

3. **MAOC的矿化保护机制**
深层土壤（>60厘米）MAOC占比超过85%，且不受氮处理影响（p>0.05）。这源于：
- 黏粒表面电荷中和作用（pH>6.0时，Kleber等，2015）
- 根系分泌的有机酸与矿物表面形成稳定络合物（Liang等，2017）
- 微生物残体包裹矿物颗粒（Keller等，2022）

### 四、理论创新与生态启示
1. **“氮-碳耦合阈值”假说**
实验显示，当氮输入超过60 kg/ha/年时，深层土壤（>40厘米）的碳库参数不再显著变化（p>0.05），暗示存在一个氮输入临界值（60 kg/ha/年），超过该值后碳汇功能趋于平台期。这与Neff等（2002）提出的“氮沉降临界浓度”理论一致。

2. **根系导向的碳稳态机制**
斑茅通过深根系（60-90厘米）构建“碳隔离层”：
- 根系生物量在深层土壤（60-90厘米）达到峰值（图1c）
- 根系分泌物通过质外体通道（apoplast）快速转运至深层（Mori和Higashi，2009）
- 深层土壤低微生物活性（<0.5 mg C-CO2/g·h）抑制了有机碳分解（Hector等，2002）

3. **农业管理的优化路径**
- **表层土壤管理**：控制氮输入在60 kg/ha/年以下，避免微生物C限制
- **深层土壤调控**：通过根系分泌物管理（如有机肥替代部分化肥）维持MAOC稳定性
- **垂直碳汇开发**：斑茅-氮肥配比（120 kg/ha/年）可提升0-40厘米土层碳封存量达24%

### 五、研究局限与展望
1. **方法学局限**
- 未区分植物残体（地上部/根系）对OC的贡献率
- 未考虑碳酸盐矿物对OC的长期固定作用（Friedlingstein等，2025）

2. **理论延伸方向**
- 探索不同碳氮比（C/N）对深层土壤碳稳态的影响
- 研究气候变化（CO2浓度、降水模式）与氮肥的交互效应
- 建立根系分泌物与矿物表面反应的分子机制模型

本研究为能源作物种植中的氮肥管理提供了关键依据：在维持表层土壤碳汇功能的同时，需关注深层土壤的碳动态平衡。当氮输入控制在60 kg/ha/年以下时，既能有效提升地上生物量，又可避免对深层土壤碳库的潜在扰动。这一发现对全球变暖背景下农业碳汇的可持续管理具有重要指导价值。