作物残体还田优化土壤有机碳与酸度长期提升甘薯产量及土壤结构的机制研究

长期施肥导致的土壤酸化和肥力下降是农业可持续发展的核心难题。中国农业科学院团队通过39年定位试验，揭示不同母质土壤（QR/GR/PSS）在矿质肥（NPK）和秸秆还田（OM）处理下，SOC（土壤有机碳）和Fe/Alox（铁铝氧化物）对交换性Al3+的调控机制，证实秸秆还田（-R处理）通过提升MWD（平均重量直径）使甘薯增产最高达166%，为酸性土壤改良提供理论依据。

　　

在农业生产中，长期施用化肥导致的土壤退化如同隐形杀手——它悄无声息地降低着土地的生产力。据统计，我国约40%的耕地存在不同程度的酸化问题，其中南方红壤区pH值年均下降0.05个单位，直接威胁粮食安全。更棘手的是，不同地质母质发育的土壤对酸化的响应存在显著差异，而作物对这种变化的适应机制尚不明确。面对这一挑战，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的研究团队开展了一项历时39年的马拉松式研究，他们以三种典型母质土壤（第四纪红土QR、花岗岩GR和紫色砂页岩PSS）为实验对象，通过六种施肥处理（包含传统化肥NPK和秸秆还田OM），最终在《Pedosphere》上揭示了作物残体管理对土壤健康与甘薯产量的深层影响机制。

研究采用多维度技术方法：通过1982年建立的长期定位试验场获取土壤样本，采用pH计测定酸碱度变化，重铬酸钾氧化法量化SOC含量，氯化钾浸提-ICP测定交换性Al³⁺，连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠法提取Fe/Al_ox，湿筛法分析土壤团聚体MWD指标，并运用结构方程模型解析各因子相互作用网络。

土壤酸化与母质特性的关系

QR土壤表现出最强的酸化敏感性，在NPK-T（化肥+残体移除）处理下pH降幅达1.18单位，显著高于GR（1.10）和PSS（0.14）。这与其高含量的活性铝氧化物密切相关，NPK-T处理的QR土壤交换性Al³⁺飙升至6.14 cmol_c kg^-1，是GR土壤的1.8倍。

有机碳库的重建作用

秸秆还田（-R处理）展现出惊人的碳固定能力：NPK-R使QR、GR土壤SOC分别提升114.4%和288.9%，OM-R处理下GR土壤的MWD（反映团聚体稳定性）增加至2.13 mm，较CK-T提高3.2倍。结构方程模型显示，SOC每增加1 g kg^-1，可通过提升pH间接降低交换性Al³⁺ 0.38 cmol_c kg^-1。

作物产量的差异化响应

在QR土壤中，OM-R处理的甘薯产量达到对照的120%，而GR土壤对NPK-R响应更显著（增产166%）。PSS土壤因天然高pH（>8.5），产量提升有限，这印证了"适酸作物"的母质选择理论。

这项研究首次系统阐明了母质特性-施肥管理-作物适应的三角关系，证实秸秆还田通过"SOC提升→pH缓冲→Al³⁺钝化→团聚体形成"的级联效应打破酸化恶性循环。其创新性在于发现Fe/Al_ox形态转化是关键枢纽——当无定形态Fe/Al_ox占比超过35%时，土壤对酸化的抵抗能力显著增强。该成果为制定区域差异化施肥策略提供了分子水平的理论支撑，尤其对南方红壤区耕地保护具有重大实践价值。正如Imtiaz AHMED团队强调的，将地质背景纳入农田管理决策系统，可能是实现"藏粮于地"战略的科学突破口。