华北平原长期秸秆还田下碳固存效率降低与保护性碳库饱和机制研究

推荐：针对长期秸秆还田下土壤碳固存效率降低的问题，研究人员通过41年田间试验结合13C标记技术，揭示了不同保护性碳库（物理、化学、生物化学保护）的饱和机制。结果表明，高量秸秆还田（9000 kg·ha?1）下，未保护碳库（Macs、LF）仍是新碳主要储存位点（73.9%-80.8%），而保护性碳库因微团聚体限制或矿化-固定动态平衡达到饱和。研究为优化秸秆还田策略提供了理论依据。

　　

华北平原作为我国重要的粮食生产基地，长期集约化农业管理导致土壤有机碳（SOC）流失问题突出。秸秆还田虽被广泛推广为提升土壤碳汇的关键措施，但长期高量还田下碳固存效率降低的现象引发关注。这一现象是否与土壤保护性碳库的饱和相关？其背后的机制又是什么？这些问题成为当前农业碳中和研究的重要突破口。

为解答这些问题，河北农业大学资源与环境科学学院/国土资源学院的研究团队依托长达41年的定位试验（始于1981年），采集不同秸秆还田量（0、2250、4500、9000 kg·ha^?1）的土壤样本，结合¹³C标记玉米秸秆的300天室内培养实验，系统分析了SOC及其活性组分（POC、MBC、DOC、EOC）的动态变化，并通过物理-化学联合分馏法解析了四类保护性碳库（未保护、物理保护、化学保护、生物化学保护）的饱和特征。相关成果发表在《Soil and Tillage Research》上。

研究主要采用以下关键技术：1）长期定位试验结合¹³C同位素标记示踪技术；2）土壤活性碳组分测定（POC通过53 μm筛分法，MBC采用氯仿熏蒸提取法）；3）保护性碳库分馏（基于NaI密度浮选和酸水解）；4）碳饱和模型（CSD=1?Ct/Cmax）与结构方程模型（SEM）分析。

研究结果

1. SOC与活性碳组分响应
   长期秸秆还田使SOC浓度提升14.2%-26.1%，活性碳组分增幅达32.8%-220.5%。高量还田（S3）下，秸秆源POC、MBC、DOC浓度显著高于低量处理（S1），但SOC增幅在4500与9000 kg·ha^?1间无差异，暗示饱和趋势。SEM分析显示POC是驱动SOC积累的核心因子（贡献率超40%）。

2. 保护性碳库分配
   秸秆还田使未保护碳库（Macs+LF）的SOC占比提升6.6%-27.2%，其中73.9%-80.8%的秸秆源碳储存于此。物理保护碳库（iPOM）的秸秆源碳浓度在S2与S3间无差异，拟合模型显示其达到饱和（R²=0.75）；化学保护（O-H、F-H）与生物化学保护（O-NH、F-NH）库则通过新碳固定与原生碳矿化的动态平衡维持稳态。

3. 饱和机制异质性
   物理保护库因微团聚体空间限制达到固存上限；化学保护库依赖矿物吸附位点，高量秸秆输入引发"激发效应"加速原生碳损失；生物化学保护库则因秸秆输入改变木质素类物质代谢平衡。碳饱和赤字（CSD）分析表明，长期还田下土壤有效饱和度为化学保护库>生物化学保护库>物理保护库。

研究意义与展望
该研究首次阐明长期高量秸秆还田下不同保护性碳库的差异化饱和机制：物理保护受微团聚体容量限制，而化学/生物化学保护通过输入-输出平衡实现稳态。这一发现解释了华北平原秸秆还田碳汇效率递减的现象，为优化农业管理（如搭配有机改良剂、轮作豆科作物）提供了理论靶点。未来需结合原位技术解析矿物-微生物互作对化学保护库饱和的调控机制，并探索跨保护库的碳转移路径。