张楠|于正宏|张从志|杨曦|任丽军|邹洪涛|张家宝
中国辽宁省沈阳市沈阳农业大学土地与环境学院，邮编110866
**摘要**
提高土壤有机碳（SOC）是改善土壤可持续性和缓解气候变化的关键策略。然而，秸秆还田深度如何调节土壤有机碳的积累和稳定机制仍不明确。本研究在温带农田进行了为期两年的田间实验，比较了四种秸秆还田方式：不还田、表面覆盖、浅层还田（0–20厘米层）和深层还田（20–40厘米层）。结果表明，秸秆还田深度对土壤有机碳分布及相关土壤性质有显著影响。浅层还田主要提高了0–20厘米表土层的有机碳、养分可用性和团聚体稳定性；而深层还田使20–40厘米底土层的有机碳含量比对照组增加了32.4%。浅层和深层还田处理下土壤有机碳的增加主要归因于颗粒有机碳的显著增加，而矿物结合有机碳的变化较小。深层还田还增强了底土层中的溶解有机碳、微生物生物量碳和腐殖质有机碳组分，并提高了团聚体稳定性及铁相关有机碳的保护作用。这些结果表明，深层秸秆还田初期主要通过增加易分解有机碳和颗粒有机碳来积累底土有机碳，同时激活了物理化学稳定过程。总体而言，深层秸秆还田在秸秆分解早期阶段增加了底土有机碳，并改变了有机碳积累与稳定途径之间的平衡。该研究强调了基于深度的残渣管理作为提高可持续农业系统底土有机碳积累的实用策略的潜力，尽管需要长期验证来评估这些有机碳增益的持久性。
**1. 引言**
提高农田土壤有机碳（SOC）对于提升土壤肥力和生产力、促进农业可持续性以及缓解全球气候变化至关重要（Lal, 2004; Sun et al., 2025）。由于作物根系主要集中在土壤表层0–20厘米范围内，传统的有机碳和肥力管理主要集中在表土层（Wen et al., 2025）。相比之下，底土（>20厘米）储存了大量的陆地有机碳，逐渐被视为长期有机碳封存的重要目标（Hicks Pries et al., 2023; Jones et al., 2026）。底土有机碳通常具有较慢的周转率和更高的持久性，但由于有机碳输入有限、微生物活性较弱、养分供应受限以及环境约束较大，其增加较为困难（Feng et al., 2026a, 2026b）。过去四十年中，中国农田20–40厘米和40–60厘米土层的有机碳积累量仅达到表土层的25%和6%，而60厘米以下的有机碳甚至有所下降（Zhou et al., 2025）。因此，寻找有效策略来提高农田底土有机碳积累已成为重要的研究重点。
大量证据表明，外源有机物质（尤其是作物秸秆）的投入是增加农田有机碳的有效方法（Berhane et al., 2020; Zheng et al., 2024）。然而，秸秆还田后有机碳是优先积累在表土还是底土，不仅取决于还田方式，还与秸秆的放置深度和方式有关。根据秸秆在土壤中的位置，还田方法可分为表面覆盖和土壤混入（Wang et al., 2023）。先前的研究表明，这两种方法都能显著增加有机碳含量，但它们对有机碳垂直分布的影响不同（Jin et al., 2020; Ling et al., 2024; Zhao et al., 2026）。表面覆盖主要将有机残渣提供给土壤表面，有利于表土有机碳的积累；而通过耕作或犁地将秸秆混入土壤则可以重新分配有机物质（Jin et al., 2020; Song et al., 2025; Wang et al., 2014）。不过，浅层耕作也可能增加土壤通气性和底物暴露，刺激微生物分解，从而部分抵消有机碳的增加效果（Fang et al., 2018）。因此，秸秆的投入位置是调节有机碳分布和稳定的关键因素。
与主要将有机残渣提供给土壤表面的表面覆盖和在耕作层内重新分配有机物质的浅层还田相比，深层还田直接将新鲜有机碳引入更深的土层，被认为是增加底土有机碳的更有效方法（Button et al., 2022; Chen et al., 2017; Jones et al., 2026; Khan et al., 2025）。表面和浅层秸秆还田主要影响表土层的有机碳动态，其中植物残渣分解、微生物代谢产物、根系输入和原有有机碳的周转有助于形成溶解有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）和其他分解产物。这些物质随后可能向下迁移并参与底土有机碳的形成（Hicks Pries et al., 2023; Wen et al., 2025）。深层还田还与改善土壤结构和水分条件以及提高作物产量相关（Wu et al., 2022; Zhao et al., 2025）。然而，大多数现有研究并未实施真正的分层秸秆放置，因为秸秆通常是在不同土层之间混合，而不是精确地引入特定土层（Chen et al., 2017; Li et al., 2024; Zhao et al., 2025）。因此，从表层或浅层土壤转移的有机碳与直接引入底土的有机碳对有机碳积累的相对贡献仍不清楚。
此外，尽管传统上认为底土有机碳比表土有机碳更稳定，但新证据表明，在氮添加、新鲜有机碳输入、温度升高尤其是土壤通气性增强等环境变化条件下，其稳定性可能会下降（Bernal et al., 2016; Fontaine et al., 2007; Hicks Pries et al., 2023; Yu et al., 2025）。底土有机碳的相对高稳定性可能部分源于环境限制，包括较低的氧气供应、较弱的微生物活性、有限的养分供应和较少的物理扰动（Wen et al., 2025）。因此，深层秸秆还田可能对底土有机碳产生双重影响：它可以通过直接提供新鲜有机碳来促进有机碳积累，但也可能破坏保护底土有机碳的环境因素，从而导致有机碳不稳定。因此，有必要进一步明确分层秸秆还田如何影响不同土层中的有机碳分布、组分组成和稳定性。
如果不考虑有机碳组分的变化和稳定途径，就无法完全理解秸秆还田对有机碳的影响。外源有机物质进入土壤后，可能转化为易分解有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）、易氧化有机碳（EOC）和微生物生物量碳（MBC）。这些组分对管理措施敏感，可以反映有机碳的早期输入、微生物处理和短期响应（Liu et al., 2025; Schmidt et al., 2011）。相比之下，矿物结合有机碳（MAOC）通常被认为是更持久的有机碳库，因为它通过吸附、共沉淀和与矿物表面的相互作用得到保护（Georgiou et al., 2022; Hicks Pries et al., 2023; Wen et al., 2025）。POC/MAOC框架为评估新添加的有机碳主要保留在相对活跃的颗粒库中还是转化为更稳定的矿物结合库提供了重要依据。此外，腐殖质有机碳组分（包括富里酸碳（FAC）、腐殖酸碳（HAC）和胡敏酸碳（HUC）代表了不同转化程度和稳定性的有机碳库（Mi et al., 2019）。综合易分解有机碳组分、POC/MAOC分配和腐殖质有机碳组成，可以更深入地理解有机碳的积累和稳定机制。
土壤团聚体和氧化铁也是有机碳稳定的关键调节因素。团聚体可以通过限制微生物接触有机底物并促进微生物产物在团聚体微环境中的保留来保护有机碳（Huang et al., 2024; Liu et al., 2024a, 2024b, 2024c, 2024d）。同时，氧化铁可以通过吸附、络合和共沉淀来稳定有机碳，特别是在铁结合有机碳保护在有机物保留中起重要作用的矿物土壤中（Xue et al., 2020; Xu et al., 2025）。由于深层秸秆还田同时引入新鲜有机碳、改变土壤通气性并修改底土的物理化学环境，它可能不仅影响有机碳含量，还影响颗粒有机碳、腐殖化有机碳、团聚体保护有机碳和铁结合有机碳稳定途径的相对贡献。然而，在特定土层进行秸秆还田时，这些关联过程尚未得到充分理解。
在这项研究中，我们进行了为期两年的田间实验，比较了四种秸秆还田方式（不还田、表面覆盖、浅层还田和深层还田）对表土和底土中有机碳含量、有机碳组分、腐殖质有机碳组分、团聚体稳定性和铁组分的影响。研究目标是：（1）量化秸秆放置深度对不同土层有机碳积累和有机碳组分分布的影响；（2）阐明深层秸秆还田如何通过改变易分解有机碳组分、POC/MAOC分配、腐殖质有机碳组成、团聚体稳定性和铁结合有机碳保护来调节底土有机碳的稳定机制。我们假设：（1）浅层秸秆还田主要提高表土层的有机碳积累和土壤结构稳定性，而深层秸秆还田更有效地增加20–40厘米底土层的有机碳；（2）在深层秸秆还田的早期阶段，新添加的有机碳优先以POC和易分解有机碳组分的形式积累，而不是迅速转化为MAOC，同时激活团聚体和铁结合保护过程。
**2. 材料与方法**
**2.1. 实验设计**
田间实验于2020年9月在辽宁省沈阳市沈阳农业大学的科研实验站进行（北纬41.82°，东经123.56°）。根据世界土壤资源参考基础（WRB），该地区属于温带半湿润大陆性气候，年平均温度为9.2°C，年平均降水量为886.1毫米。实验采用随机完全区组设计，包括四种处理：表面覆盖（LF）、浅层还田（QF）、深层还田（SF）和不还田对照（CK）。为确保各处理之间的机械扰动可比性，所有处理（包括CK、LF、QF和SF）每年都进行相同的挖掘和回填操作。具体来说，0–20厘米和20–40厘米土层分别被挖掘后重新放回原位，所有处理均采用相同的挖掘深度、回填顺序、扰动频率和扰动强度。在CK处理中，挖掘和回填后不添加秸秆。在LF处理中，将秸秆放置在土壤表面；因此，LF处理也涉及0–20厘米和20–40厘米土层的挖掘和回填。在QF处理中，仅将切碎的秸秆与0–20厘米土层混合后再回填；而在SF处理中，仅将切碎的秸秆与20–40厘米土层混合后再回填。因此，秸秆放置深度是唯一的实验变量，而机械扰动在各处理间保持一致。每个处理重复三次。每个微区面积为1.6米×1.3米（2.08平方米），周围设有防水混凝土屏障以防止水分和物质的侧向移动。表1显示了土壤和秸秆的初始性质。
**表1. 初始土壤和秸秆的基本性质**
| 项目 | 土壤（0–20厘米） | 土壤（20–40厘米） | 秸秆 | 土壤有机碳（g/kg） | 总氮（g/kg） | pH值 | 总钾（g/kg） | 总磷（g/kg） |
|------------|-----------------|-----------------|-----------------|-----------------|--------------|--------------|-----------------|
| | 7.05 | 6.89 | 365 | 0.60 | 6.68 | 23.20 | 23.35 | 0.67 |
| | 6.89 | 365 | 0.46 | 6.46 | 7.71 | 23.35 | 0.62 |
| | 0.60 | 0.46 | 8.2 | 6.68 | 6.46 | 23.45 | 0.67 |
2020年秋季收获后，玉米秸秆被切碎成约3厘米长的片段，以10.5 Mg/公顷的速率施用于所有秸秆还田处理。当地的种植制度是一年种植一季作物，试验作物为玉米（Zhengdan 958）。播种在每年五月底进行，收获则在九月中旬完成。每个地块种植两行，每行四株，行间距为0.4米，株间距为0.3米。播种前，所有地块都施用了相同的基肥：75公斤/公顷的过磷酸钙（12% P2O5）、105公斤/公顷的硫酸钾（50% K2O）和240公斤/公顷的尿素（46.4% N）。所有的田间管理措施都遵循当地的常规农艺规程。
2.2 土壤采样
土壤采样于2022年九月底进行，即在秋季玉米收获后立即进行，且在下一次年度秸秆还田之前。采样时间大约是在2020年秋季首次秸秆还田后的两年。从0–20厘米和20–40厘米两个深度区间采集土壤样本。在每个地块内，使用土壤取样器随机选取五个采样点，并将各深度的样本合并为一个综合样本。此外，还从每个深度区间采集了未受干扰的土壤样本，用于团聚体分级，并储存在硬质塑料盒中以保持其自然结构。
2.3 土壤基本理化性质和养分
土壤颗粒大小分布通过激光粒度分析仪测定，土壤pH值采用电位法测量。土壤总养分（包括总氮（TN）、总磷（TP）和总钾（TK）分别通过凯氏定氮法、酸消解-钼锑比色法和酸消解-火焰光度法测定。土壤有效养分（包括碱解氮（AN）、有效磷（AP）和有效钾（AK）分别通过碱扩散法、钼锑比色法和火焰光度法测定。不同秸秆还田处理对土壤养分的响应结果见表S1和补充文本S1。
2.4 土壤有机碳组分
土壤颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）通过物理分级方法分离（Cambardella和Elliott，1992）。具体步骤如下：将10克风干后通过2毫米筛网的土壤放入100毫升离心管中，加入50毫升5克/升的六偏磷酸钠溶液。将悬浮液以180转/分钟的速度振荡18小时以分散土壤颗粒。然后将分散后的土壤悬浮液通过0.053毫米筛网湿筛，并用去离子水冲洗直至滤液几乎清澈。留在筛网上的物质作为POC组分收集并干燥至60°C；通过筛网的物质作为MAOC组分收集并干燥。SOC、POC和MAOC的含量通过重铬酸钾氧化-滴定法测定。
2.5 易分解有机碳组分
土壤微生物生物量碳（MBC）通过氯仿熏蒸-提取法测定（Vance等人，1987）。具体步骤为：准备两份各5克的新鲜土壤样本，一份用氯仿熏蒸24小时，另一份不进行熏蒸。两份样本均用20毫升0.5摩尔/升的K2SO4提取液振荡1小时后过滤。提取液中的有机碳浓度使用总有机碳分析仪（Jena Multi N/C 3100，德国）测定。土壤MBC计算为熏蒸组与未熏蒸组之间可提取有机碳的差值除以0.45。土壤溶解有机碳（DOC）用1摩尔/升的KCl提取，并使用总有机碳分析仪测定。KCl提取法用于获取可盐提取的溶解有机碳量，以确保与有效氮分析所用提取方法的一致性。该组分反映了易于提取和移动的有机碳，而非总水提取的DOC。土壤易氧化有机碳（EOC）通过333毫摩尔/升的KMnO4氧化法测定（Chen等人，2023）。
2.6 腐殖质组分
土壤腐殖酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC）和胡敏酸碳（HUC）的测定采用改良程序（Mi等人，2019）。具体步骤为：将5克风干后的土壤（<0.25毫米）用蒸馏水在70°C下提取1小时，然后离心过滤。剩余残渣用0.1摩尔/升的NaOH和0.1摩尔/升的Na4P2O7（pH 13）混合物进一步提取。离心过滤后得到可碱提取的腐殖质组分。剩余残渣在55°C下干燥至恒重，作为胡敏质组分（HUC）；碱提取液进一步分离得到腐殖酸碳（HAC）和富里酸碳（FAC）。
2.7 土壤团聚体分离
土壤团聚体粒径分布通过湿筛法测定（Yoder，1936）。具体步骤为：将100克每份风干土壤样品放在2000微米筛网上，浸入去离子水中5分钟进行崩解。然后在2分钟内将筛网垂直移动60次，移动距离为3厘米。通过2000微米筛网的物质进一步通过250微米和53微米筛网湿筛。分别收集留在2000微米、250微米和53微米筛网上的物质；<53微米的物质在沉淀和离心后收集。所有团聚体组分在40°C下干燥，用于测定有机碳含量。
平均粒径（MWD）和几何平均粒径（GMD）的计算方法如下：
(1) MWD = ∑i=1n(R̅iWi)
(2) GMD = exp(∑i=1n(WilnR̅i)∑i=1nWi)
其中R̅i表示第i个团聚体粒径组的平均粒径（毫米），Wi表示第i个粒径组中团聚体的质量百分比（或比例）。
2.8 铁组分的测定
游离铁氧化物（Fed）、低结晶铁氧化物（Feo）和有机络合铁（Fep）分别使用二硫氰酸盐-柠檬酸-碳酸氢盐（DCB）法、0.2摩尔/升草酸铵（pH = 3）和0.1摩尔/升焦磷酸钠（pH = 10）法提取（Mehra和Jackson，1958）。提取液中的铁浓度通过电感耦合等离子体光发射光谱法（ICP-OES）测定（Wang等人，2022）。
2.9 统计分析
所有统计分析使用SPSS 22.0（SPSS Inc.，美国伊利诺伊州芝加哥）和R软件（版本4.4.1）进行。单因素方差分析（ANOVA）用于评估不同秸秆还田处理对土壤理化性质、SOC组分、腐殖质有机碳组分、团聚体分布、团聚体稳定性指数和各土层中铁组分的影响。处理间的平均差异使用Duncan多重范围检验在0.05显著性水平上进行比较。皮尔逊相关性分析用于评估SOC组分与相关土壤性质之间的成对关系，相关系数的显著性在0.05和0.01水平上进行检验。Mantel检验用于基于欧几里得距离矩阵检查SOC组分与选定的土壤理化性质、腐殖质有机碳组分、团聚体稳定性指数和铁组分之间的关系。随机森林分析用于评估土壤性质在解释SOC、POC和MAOC变化中的相对重要性。所有图表均使用R软件（版本4.4.1）和Adobe Illustrator 2025制作。
3. 结果
3.1 SOC及其组分对秸秆还田的深度依赖性响应
如图1A所示，SOC及其组分对秸秆还田表现出明显的深度依赖性响应。在0–20厘米层，QF处理的SOC含量最高，比对照处理（CK）增加了34.9%（p < 0.05）。相比之下，在20–40厘米层，SF处理的SOC含量最高，比CK高32.4%，且显著高于其他处理（p < 0.05）。LF处理显著增加了0–20厘米层的SOC含量，但在20–40厘米层LF与CK之间没有显著差异（p > 0.05）。
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图1. 不同秸秆还田方式对表土和底土中土壤有机碳（SOC）及其主要组分的影响。(A) 不同处理下0–20厘米和20–40厘米土层中的SOC、颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）含量。误差条表示标准误差（n = 3）。相同土层内不同处理间的显著差异用不同小写字母表示（p < 0.05）。(B) 不同土层中SOC与POC（左）和SOC与MAOC（右）之间的线性关系。实线代表线性回归，阴影区域表示95%置信区间。CK表示不还田；LF表示秸秆覆盖；QF表示浅层秸秆还田至0–20厘米层；SF表示深层秸秆还田至20–40厘米层。
POC和MAOC的分布模式与SOC大致一致，但响应幅度不同。在20–40厘米层，SF处理使POC从CK的1.22克/千克增加到2.85克/千克，增加了133.6%。同样，在QF处理的0–20厘米层，POC增加了78.8%。线性回归分析显示，在两个土层中SOC与POC以及SOC与MAOC之间均存在显著的正相关关系（图1B；p < 0.05）。20–40厘米层的SOC–POC关系斜率比0–20厘米层更陡，而SOC–MAOC关系的斜率在两个土层间相对相似。
3.2 易分解有机碳组分和腐殖化有机碳组分的响应及其多变量模式
易分解土壤有机碳组分（包括DOC、MBC和EOC）对秸秆管理表现出明显的深度依赖性和组分特异性响应（图2A）。在0–20厘米表土中，LF处理的DOC浓度最高，显著高于QF处理（p < 0.05）。LF和QF处理均显著提高了MBC含量，达到各处理中的最高水平（p < 0.05）。相比之下，在20–40厘米层，SF处理的DOC和MBC显著高于其他处理（p < 0.05），而EOC在各处理间无显著差异（p > 0.05）。
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图2. 不同秸秆还田方式对表土和底土中易分解有机碳组分和腐殖质有机碳组分的影响。(A) 不同处理下0–20厘米和20–40厘米土层中溶解有机碳（DOC）、易氧化有机碳（EOC）、微生物生物量碳（MBC）、腐殖酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC）和胡敏酸碳（HUC）的含量。(B) 两种土层中EOC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC、HAC/SOC和HUC/SOC的比值。CK表示不还田；LF表示秸秆覆盖；QF表示浅层秸秆还田至0–20厘米层；SF表示深层秸秆还田至20–40厘米层。相同土层内不同处理间的显著差异用不同小写字母表示（p < 0.05）。
腐殖质有机碳组分（包括HAC、FAC和HUC）的分布紧密反映了秸秆还田的深度（图2A）。在0–20厘米层，QF处理的HAC和FAC含量分别比CK高25.4%和11.4%（p < 0.05）。然而，在没有深层机械还田的情况下，QF和LF处理均未促进底土的腐殖化。在20–40厘米层，SF处理的HAC和FAC含量最高，分别为1.78克/千克和1.65克/千克，显著高于其他处理（p < 0.05）。此外，SF处理还增加了底土中的HUC含量。SOC组分的相对贡献（图2B）进一步支持了这些模式，表明SF显著增加了底土中活性有机碳和腐殖质有机碳的比例，而LF和QF主要影响表土中的有机碳分配（p < 0.05）。
主成分分析揭示了不同土层中有机碳组分之间的关系模式（图3）。在表土中（图3A），有机碳组分分布更广，形成明显的簇，易分解有机碳组分（如DOC和MBC）与更稳定的组分（如SOC和MAOC）分离。相比之下，底土中的变量沿主轴（Dim1）更紧密地聚集，表明有机碳组分之间的耦合更强。第一个主成分分别解释了0–20厘米层和20–40厘米层总方差的72.1%和78.8%。
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图3. 不同秸秆还田方式下表土和底土中有机碳组分的主成分分析（PCA）。(A) 0–20厘米层的PCA双坐标图。(B) 20–40厘米层的PCA双坐标图。向量代表各个有机碳组分，包括DOC、EOC、MBC、POC、MAOC、HAC和HUC。箭头的长度和方向表示每个组分对前两个主成分（Dim1和Dim2）的贡献和相关性。轴上的百分比值表示每个主成分解释的总方差比例。CK：不返回秸秆；LF：秸秆覆盖；QF：将秸秆浅层混入0–20厘米层；SF：将秸秆深层混入20–40厘米层。矢量的颜色渐变表示每种碳成分的相对贡献。
3.3 土壤团聚体大小类别和结构稳定性
如图4A所示，所有处理下的土壤团聚体主要由微团聚体和粉砂/粘土颗粒（<0.25毫米）组成。然而，秸秆混入处理显著改变了团聚体大小分布，且这种变化具有深度依赖性（p < 0.05）。在表土层中，QF处理的效果最为明显，显著增加了2–0.25毫米大团聚体的比例，同时减少了<0.053毫米团聚体的比例（p < 0.05）。相反，在底土层（20–40厘米）中，SF处理显著改善了土壤结构，表现出最高的2–0.25毫米团聚体比例和最低的<0.053毫米团聚体比例。
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图4. 不同秸秆混入方式对表土和底土中土壤团聚体大小分布及结构稳定性的影响。(A) 不同处理下0–20厘米和20–40厘米土层中四个大小类别（<0.053毫米、0.25–0.053毫米、2–0.25毫米和>2毫米）的土壤团聚体比例。(B) 两种土层中水稳团聚体（>0.25毫米）的比例、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）等土壤结构稳定性指标。误差条代表标准误差（n = 3）。不同的小写字母表示同一土层内处理之间的显著差异（p < 0.05）。CK：不返回秸秆；LF：秸秆覆盖；QF：将秸秆浅层混入0–20厘米层；SF：将秸秆深层混入20–40厘米层。
这些团聚体大小的变化反映在土壤结构稳定性的相应变化上，如水稳团聚体（>0.25毫米）的比例、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）所示（图4B）。与团聚体分布模式一致，处理效果随土壤深度而变化。在0–20厘米层中，QF处理的R0.25、MWD和GMD值最高，显著高于LF和CK处理（p < 0.05）。相比之下，在20–40厘米层中，SF处理的表现最佳，结构稳定性指标最高，而CK处理的值最低（p < 0.05）。
3.4 不同处理下氧化铁成分的变化
秸秆处理显著影响了0–20厘米土层中的氧化铁成分（图5；p < 0.05）。QF处理的Fe2+含量最高，显著高于CK和LF处理（p < 0.05）。FeO含量在LF处理下最高，而Fe3+含量在QF处理下显著高于LF和SF处理（p < 0.05）。在20–40厘米层中，SF处理的Fe2+和Fe3+含量最高（图5；p < 0.05）。FeO含量在不同处理间略有差异，但在20–40厘米层中未观察到显著差异（p > 0.05）。
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图5. 不同秸秆混入方式对表土和底土中氧化铁含量的影响。不同处理下0–20厘米和20–40厘米土层中二硫氰酸盐可提取Fe（Fe2+）、草酸可提取Fe（FeO）和焦磷酸盐可提取Fe（Fe3+）的含量。误差条代表标准误差（n = 3）。不同的小写字母表示同一土层内处理之间的显著差异（p < 0.05）。CK：不返回秸秆；LF：秸秆覆盖；QF：将秸秆浅层混入0–20厘米层；SF：将秸秆深层混入20–40厘米层。
4. 讨论
4.1 秸秆放置深度对土壤有机碳（SOC）积累的调节作用
本研究表明，深层秸秆混入可以增加20–40厘米土层中的SOC，并重新配置底土中有机碳的功能池分布。与主要促进表土中有机碳和养分积累的浅层混入方式不同，深层混入将秸秆残余物直接放入20–40厘米层，在那里可以进行养分释放和相关的生化过程。这一变化表明，传统上认为有机碳输入受限的底土可能对有针对性的有机碳管理更加敏感，这与先前强调底土有机碳池管理潜力的研究结果一致（Wu等人，2022年；Zhang等人，2025年）。更重要的是，底土SOC的增加并不是所有有机碳成分均匀扩大的结果。相反，它首先体现在POC和一些易分解有机碳成分的增加上，伴随着腐殖质有机碳成分的增加、团聚体结构的改善以及铁相关指标的提高。这些变化表明，深层秸秆混入可能启动了底土中的多种稳定化相关过程，下面将详细讨论。这一解释得到了先前研究的支持，这些研究表明有机碳输入可以根据输入深度和土壤物理化学条件改变易分解和稳定有机碳池（Feng等人，2026a；Feng等人，2026b；Yang等人，2025年）。这些发现表明，深层秸秆混入不仅增加了底土中的有机碳含量，还改变了新添加的有机碳在功能池中的分布及其后续的稳定方式。因此，本研究扩展了先前的研究，表明秸秆放置深度不仅调节了SOC的积累量，还调节了SOC成分的形成和保护途径（Li等人，2025年；Liu等人，2024d；Zhao等人，2026年；Zhu等人，2022年）。
秸秆混入的效果表现出明显的土层特异性，表明有机碳输入的位置本身是SOC垂直分布的关键决定因素。先前的研究表明，秸秆返回可以增加SOC，但我们的结果进一步表明，这种效果强烈依赖于秸秆在土壤剖面中的放置位置（Wang等人，2024年；Zhang等人，2025年）。在本研究中，QF处理对0–20厘米层中的SOC、养分和结构指标的改善更为显著，而SF处理的优势主要体现在20–40厘米层。这种深度依赖性模式与先前的研究结果一致，即秸秆来源的有机碳输入的垂直位置强烈影响SOC积累和土壤结构改善的位置（Liu等人，2024b；Liu等人，2024a；Liu等人，2024c；Liu等人，2024d）。这表明，表面秸秆输入不能自然转化为底土中的有机碳增加。为了使表面残余物贡献于底土SOC，它们必须先经历溶解、向下运输、再吸附或再矿化，而在深度上的转移和保留效率有限。这有助于解释为什么LF和QF主要影响0–20厘米层，而SF直接增强了20–40厘米层中的SOC积累（Liu等人，2024a；Liu等人，2024b；Liu等人，2024c；Liu等人，2024d）。相比之下，深层混入将秸秆直接放入20–40厘米层，绕过了自上而下的传输限制，为底土提供了直接的有机基质来源。因此，底土同时获得了新鲜的有机碳输入和养分供应，从而缓解了通常限制该层的基质和资源限制。这一机制为SF在20–40厘米层中更强的SOC响应提供了合理的解释（Liu等人，2024a；Liu等人，2024b；Liu等人，2024c；Liu等人，2024d；Zhang等人，2025年）。最近关于深层土壤有机碳动态的研究进一步表明，底土不仅仅是表土管理的被动响应者，而是一个对输入深度高度敏感的独立有机碳池，具有巨大的管理潜力。我们的结果支持这一观点，表明直接将秸秆放入20–40厘米层显著改变了底土中的SOC及相关稳定指标（Feng等人，2026a；Feng等人，2026b；Zhao等人，2026年）。
4.2 深层秸秆混入对SOC成分的早期重新分配
本研究表明，深层混入引起的底土SOC增加主要由POC驱动，而MAOC的响应相对有限。这一发现对于理解底土SOC的早期积累和稳定非常重要。它表明，新添加的秸秆来源的有机物可能首先以相对活跃的颗粒形式积累，然后逐渐转化为更稳定的矿物相关形式。这一解释与先前强调POC和MAOC不同周转率和稳定途径的研究结果一致（Yang等人，2025年；Zhang等人，2025年）。尽管底土通常被认为具有形成矿物相关有机碳的潜力，但我们的结果表明，矿物结合能力的存在并不意味着新添加的有机碳会在短期内优先转化为MAOC。相反，矿物结合可能需要足够的微生物转化、可溶性有机化合物以及有机基质与矿物表面之间的反复相互作用（Wang等人，2026年；Wang等人，2026年；Wang等人，2025年）。
这种模式可以通过实验的相对较短持续时间来解释。在两年的研究期间，深层混入可能首先促进了秸秆残余物及其初级分解产物在底土中的保留，使得新添加的有机碳优先进入POC池。相比之下，植物残余物转化为微生物处理产物，然后再转化为矿物相关有机碳可能需要更长的时间和持续的微生物处理。因此，MAOC的较弱响应并不一定表明缺乏稳定潜力，而可能反映了残余物添加、微生物处理和矿物结合之间的时间滞后（Feng等人，2026a；Feng等人，2026b；Zhou等人，2024年）。总体而言，这里观察到的有机碳池变化更可能代表底土对深层有机输入的早期响应，其中首先形成了一个相对活跃的中间有机碳池，然后逐渐转化为更稳定的矿物相关有机碳。这一解释也有助于解释两年实验期间POC的显著增加与MAOC相对较小的增加（Feng等人，2026a；Feng等人，2026b）。这一模式与POC/MAOC框架一致，该框架认为POC对管理措施更敏感，而MAOC更好地反映了长期稳定积累。因此，当前结果表明，SF可能启动了一个以POC形成为主的早期SOC积累途径，而MAOC的形成可能需要更长的稳定期（Yang等人，2025年；Zhou等人，2024年）。
4.3 易分解有机碳和腐殖化有机碳成分对秸秆管理的响应
易分解有机碳和腐殖化有机碳成分的响应进一步揭示了三种秸秆返回方法的独特作用。尽管上述讨论强调了QF和SF的对比效应，LF处理在调节表层有机碳动态中也发挥了重要作用。表层秸秆覆盖可能改善了残余物分解和微生物活动的表面微环境，同时避免了秸秆在0–20厘米或20–40厘米土层中的直接混合（Fu等人，2020年；Liu等人，2023年）。这些效应有助于解释为什么LF增强了0–20厘米层中的易分解有机碳成分，尤其是DOC和MBC（Zhang等人，2022年）。然而，LF对底土SOC积累的贡献有限，因为秸秆残余物没有机械混入20–40厘米层。在LF处理下，表面来源的可溶性有机化合物和分解产物必须向下移动才能贡献于底土SOC的形成。这种传输途径相对间接，可能受到微生物消耗、表土吸附和可溶性有机化合物向下移动的限制（Kaiser和Kalbitz，2012年；Kalks等人，2020年）。因此，LF主要促进了表层有机碳循环，而SF更有效地直接向底土提供了有机基质。
SF处理下HAC、FAC和HUC的同时增加表明，深层秸秆混入不仅刺激了易分解有机碳池，还促进了底土中的腐殖化相关过程。这表明，深层的新鲜秸秆输入可能支持快速的微生物利用和随后更腐殖化有机碳成分的形成（Gao等人，2019年）。因此，不应简单地将SF对底土的响应解释为易分解物质的积累，而应视为涉及易分解有机碳输入、微生物转化和腐殖质形成的协调过程。
4.4 聚团体和铁对底土中有机碳的保护作用
值得注意的是，我们的结果并不支持POC增加必然意味着底土SOC稳定性降低的简单推断。在这项研究中，秸秆覆盖（SF）显著增加了易分解有机碳的组分，包括总有机碳（POC）、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC），同时可水解有机碳（HAC）、纤维质有机碳（FAC）、胡敏质有机碳（HUC）、胶体有机碳（GMD）、微孔有机碳（MWD）、铁结合有机碳（Fed）和铁氧化物结合有机碳（Fep）也有所增加。这种模式表明，在深层秸秆混入的情况下，易分解有机碳的积累和稳定相关过程可能同时发生。先前的研究也表明，当有机碳输入伴随着团聚体形成、腐殖化作用和矿物相关的保护作用时，可以促进土壤有机碳（SOC）的稳定（Gao等人，2023年；Xu等人，2025年）。因此，在这里考虑的实验系统和时间尺度内，深层秸秆混入并没有提供土壤有机碳净损失或整体不稳定的证据。相反，团聚体稳定指数的增加和铁相关组分的增加表明，物理和矿物相关的保护机制可能与易分解有机碳的积累同时发展。新鲜秸秆的输入可能会增强易分解有机碳的流动和微生物的周转，而腐殖质的积累、团聚体的保护以及铁相关的过程可能会促进有机碳在不同稳定程度上的保留。这一解释与最近的证据一致，即深层秸秆混入对土壤有机碳封存动态的影响取决于有机碳输入、微生物处理和保护机制之间的平衡（Ma等人，2026年；Xu等人，2025年）。因此，POC的增加应该与腐殖化、团聚体形成和铁相关保护一起进行评估，而不仅仅单独作为土壤有机碳不稳定的证据。团聚体结构和铁形态的变化进一步支持了这一解释。浅层秸秆覆盖（QF）更强烈地改善了表土的团聚体结构，而深层秸秆覆盖（SF）在底土中的效果更为显著，这表明秸秆的投入深度不仅决定了哪些土壤层会接收有机碳，还决定了有机碳被保留的物理环境。这一模式与先前的研究一致，这些研究表明，当秸秆衍生的有机物被混入发生团聚作用的土壤层时，可以促进团聚体的形成（Huang等人，2024年；Liu等人，2024a、2024b、2024c、2024d）。团聚体的形成可以通过物理阻塞减少微生物对有机底物的接触，并促进微生物代谢物在局部微环境中的保留，从而增强有机碳的保护。在本研究中，SF处理下MWD和GMD的增加表明，这种物理保护机制可能有助于新添加的有机碳在底土中的保留（Huang等人，2024年；Liu等人，2024a、2024b、2024c、2024d）。同时，深层秸秆混入下Fed和Fep的增加，以及SOC和腐殖质有机碳组分的增加，表明铁相关的保护过程也可能有助于新添加的有机碳在底土中的稳定。这可能是通过形成有机铁复合物或有机化合物与铁氧化物的结合来实现的，这两种方式都可以增强土壤有机碳的持久性（Xu等人，2025年；Xue等人，2020年）。与相对有限的Feo变化相比，Fed和Fep的更强响应表明，深层秸秆混入下有机物的保留可能与自由铁氧化物和有机复合铁的结合更为密切，而不仅仅是与结晶度较低的铁氧化物结合。因此，铁介导的保护可能是SF促进底土土壤有机碳稳定的另一种途径。
4.5. 多变量证据支持土壤有机碳稳定途径
如图6所示，相关性网络和随机森林分析进一步支持了这一解释，将土壤有机碳组分与易分解有机碳组分、腐殖化有机碳组分、团聚体稳定性指标、养分状况和铁相关变量联系起来。将SOC与POC联系起来的网络更为密集，并且与DOC、MBC、养分状况、团聚体指标和一些铁组分有更广泛的关联。这种模式表明，POC作为一个敏感的中间池，连接了新鲜的有机输入、微生物活动和物理或化学保护过程。因此，在本研究的条件下，底土有机碳的积累首先紧密地嵌入了一个快速响应链中，涉及新鲜底物的输入、微生物的利用和结构保护。这一解释与先前的研究一致，这些研究表明颗粒有机物质对有机改良剂反应迅速，并可以作为后续稳定过程的前体（Kang等人，2026年；Wang等人，2026年；Wang等人，2026年）。相比之下，尽管MAOC也受到土壤物理化学性质的影响，但其主要驱动因素更为集中，更依赖于养分状况、细颗粒和微生物活动的综合效应。这表明，MAOC的形成可能需要比POC积累更具体的环境条件，包括足够的微生物转化和可用的矿物表面（Zhang等人，2025年；Zhou等人，2024年）。总的来说，这些结果表明，矿物相关有机碳的形成不是对深层秸秆输入的立即响应，而更可能依赖于微生物处理过的底物与矿物表面之间的持续相互作用。因此，MAOC的弱短期响应应该被解释为一个延迟的稳定过程，而不是深层秸秆混入缺乏矿物相关稳定潜力的证据（Wang等人，2026年；Wang等人，2026年）。换句话说，统计关联间接表明，深层秸秆混入主要改变了底土有机碳的积累途径，而不是在短期内同步扩展所有稳定的有机碳池。这为为什么SF在两年研究期间显著增加了POC但MAOC的响应较为温和提供了机制上的解释（Kang等人，2026年；Zhang等人，2025年）。
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图6. 不同秸秆覆盖模式下土壤物理化学性质和有机碳组分与SOC、POC和MAOC的相关性和相对重要性。(A) 相关性矩阵显示了土壤性质（DOC、EOC、MBC、HAC、FAC、HUC、粘土、粉砂、沙子、AN、AP、AK、TN、TP、TK、Fed、Feo、Fep、GMD、MWD）与SOC、POC和MAOC之间的皮尔逊相关性。实线表示SOC组分与其他土壤性质之间的Mantel相关性；绿色和红色线条分别代表正相关和负相关，线条粗细与相关性强度成正比。虚线表示无显著相关性。(B) 土壤性质在解释MAOC、POC和SOC方差中的相对重要性。星号表示显著性水平（p < 0.05、p < 0.01、p < 0.001）。
PCA结果（图3）进一步支持了不同秸秆返还处理下有机碳组分的深度依赖性差异。在0-20厘米层中，有机碳组分在PCA空间中的更广泛分布表明，易分解和稳定组分对秸秆管理的响应更为异质。这表明表土有机碳动态受到多种过程的影响，包括表面残渣输入、浅层混入、微生物活动和团聚体形成。相比之下，20-40厘米层中变量的更紧密分组表明，底土中的SOC、POC、MAOC、易分解有机碳组分和腐殖化有机碳组分之间的耦合更强。这种模式支持了深层秸秆混入促进了深层多个有机碳池之间更协调响应的解释。因此，PCA结果提供了额外的多变量证据，表明SF下的底土SOC积累受到残渣输入、微生物处理、腐殖化和物理化学保护的共同作用调节。
4.6. 农艺意义和秸秆覆盖的作用
从农业管理的角度来看，这项研究表明，不应仅从秸秆是否返回田地的角度来评估秸秆混入的效果，还应考虑秸秆在土壤剖面中的放置位置。这种区分很重要，因为表面覆盖、浅层混入和深层混入通过不同的途径和不同的土壤深度调节SOC（Liu等人，2024a；Liu等人，2024b；Liu等人，2024c；Liu等人，2024d；Wang等人，2024）。浅层混入仍然是保持表土肥力和增加表土SOC的有效策略。然而，如果目标是缓解底土长期的有机碳缺乏、养分限制和结构脆弱性，深层混入似乎更为有效。通过直接向20-40厘米层提供秸秆衍生的有机底物，SF可能有助于激活底土微生物过程，并促进易分解和受保护的SOC组分的形成（Huang等人，2024年；Liu等人，2024a；Liu等人，2024b；Liu等人，2024c；Liu等人，2024d）。这在犁层和犁底层之间有明显分化的农田系统中尤为重要，因为直接将秸秆放置在20-40厘米层可能有助于激活未充分利用的底土功能。我们的结果表明，这种激活不仅涉及SOC含量的增加，还涉及SOC组分、团聚体稳定性和铁相关保护指标的变化。这一解释与先前的研究一致，这些研究表明底土管理在调节SOC稳定过程中起着重要作用（Feng等人，2026a；Feng等人，2026b）。
然而，这项研究也表明，短期内，这种策略主要表现为相对活跃的有机碳池的扩展。因此，其长期的有机碳封存效益仍将取决于后续的腐殖化、团聚体保护和矿物结合是否能够继续发展。因此，需要长期监测来确定早期POC的增加是否可以逐步转化为更稳定的MAOC和腐殖化有机碳池（Ma等人，2026年；Zhang等人，2025年）。从这个意义上说，深层混入的重要性不仅仅在于秸秆被埋得更深，而在于它通过改变有机碳输入、微生物处理和深层土壤中的物理化学保护之间的关系，重新组织了底土有机碳池的形成途径。相比之下，LF不应被视为无效的；相反，它主要通过改善残渣分解和微生物活动的微环境来促进表层有机碳循环。因此，选择LF、QF和SF应取决于管理目标是增强表层SOC周转、提高表土肥力还是促进底土SOC积累。这一管理意义得到了先前研究的支持，这些研究表明秸秆放置深度可以调节SOC动态和稳定途径（Feng等人，2026a；Feng等人，2026b；Zhang等人，2025年）。
5. 结论
这项为期两年的田间实验表明，秸秆返还对土壤有机碳动态产生了强烈的深度依赖性效应。浅层混入主要增强了表土的SOC、养分可用性和结构稳定性，而深层混入更有效地增加了20-40厘米底土的SOC。深层秸秆混入下底土SOC的增加主要是由POC的优先积累驱动的，伴随着DOC和MBC的增加，表明新添加的有机碳最初进入了一个活跃的中间池，而不是迅速转化为MAOC。同时，腐殖质有机碳组分、团聚体稳定性和铁相关有机碳保护的增加表明，有机碳的积累和稳定相关过程同时被激活。总体而言，深层秸秆混入增加了底土SOC，并改变了有机碳在不同稳定途径相关池中的分布。然而，鉴于实验时间较短，这种早期以POC为主的有机碳积累是否最终会转化为持久的长期底土有机碳封存，还需要进一步验证。
作者贡献声明
张家宝：写作——审阅与编辑。
邹洪涛：监督。
任立军：正式分析、数据管理。
杨曦：软件、方法学。
张从志：写作——审阅与编辑、项目管理。
于正宏：写作——初稿。
张楠：写作——初稿、验证、软件、方法学、数据管理、概念化。
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