研究人员针对秸秆还田(ST)与玉米-大豆轮作(MS)单独应用对土壤有机碳(SOC)的提升效应已有共识，但二者联合对SOC稳定化的协同机制仍不明确，尤其是碳利用效率与稳定路径的关联尚未厘清。为此，研究人员在东北农田开展裂区田间试验，设置秸秆移除(SR)与秸秆还田(ST)为主区，连作玉米(MM)、连作大豆(SS)、玉米-大豆轮作(MS)为副区，系统分析SOC组分、微生物残体积累、胞外酶活性、土壤呼吸及作物产量的响应特征。结果表明，秸秆还田配施玉米-大豆轮作在提升SOC稳定性的同时实现了更高谷物产量；该处理以更低的外源碳输入与土壤呼吸代价达到与高碳输入处理相当的SOC水平，体现出更高的碳稳定效率，其核心驱动是SOC组分向更稳定形态再分配——矿物结合态有机碳(MAOC)对SOC的贡献提升1.68%~5.11%，而颗粒有机碳(POC)贡献下降。相较于连作，轮作处理显著提升微生物生物量碳(MBC)8.21%~8.24%、可溶性有机碳(DOC)10.76%~14.74%及微生物残体碳(MNC)13.42%~41.43%，同步增强土壤酶活性并缓解微生物氮限制。随机森林模型与偏最小二乘路径模型(PLS-PM)进一步揭示，MAOC是SOC的关键驱动因子，MBC通过促进MNC积累间接驱动MAOC形成。该研究证实，秸秆还田与轮作集成可作为协同提升SOC稳定性与作物产量的有效农艺措施，为优化农田固碳与粮食生产的协同管理策略提供了理论框架。
东北农田秸秆还田配玉米-大豆轮作提升土壤碳稳定效率的机制解析
研究背景与意义
农业土壤在全球碳循环中兼具碳汇与碳排放源双重角色，不合理耕作曾导致大量土壤有机碳(SOC)耗竭，使农田面临由净碳汇向净碳源转变的风险。秸秆还田与豆科轮作是公认的提升SOC储量的重要措施，但二者联合的协同效应与微生物驱动机制尚不清晰。现有研究多关注单一措施的碳输入增量，却忽视了碳在活性与稳定库间的分配效率差异。明确秸秆还田与轮作集成对SOC组分再分配、微生物转化过程的调控机制，对实现固碳与增产协同的可持续农业管理具有重要意义。
本研究于2021年在沈阳农业大学辽中试验基地（41°50′13″ N，123°34′17″ E）启动裂区田间试验，设置秸秆管理（移除SR、还田ST）与种植模式（连作玉米MM、连作大豆SS、玉米-大豆轮作MS）共6个处理，每个处理3次重复，连续监测2023—2024年作物生长季的土壤碳动态与作物产量。研究发现，秸秆还田配施玉米-大豆轮作以更低的外源碳输入实现了与高碳输入处理相当的SOC水平，且显著降低土壤呼吸损失，碳稳定效率提升。该成果发表于《Journal of Agriculture and Food Research》，为东北黑土区固碳增产协同管理提供了直接实证。
关键技术方法
研究采用裂区田间试验设计，主区为秸秆管理，副区为种植模式，共18个小区。土壤样品采自0~20 cm耕层，经2 mm筛分后分为鲜样与风干样：鲜样用于测定微生物生物量碳(MBC)、胞外酶活性；风干样用于SOC及其组分分析。SOC组分分离采用湿筛法，将SOC划分为颗粒有机碳(POC)与矿物结合态有机碳(MAOC)；微生物残体碳(MNC)通过氨基酸糖标志物定量计算；胞外酶活性采用荧光微板法测定碳、氮、磷获取酶；土壤呼吸采用静态箱-气相色谱法监测生长季动态。统计分析采用双因素方差分析、随机森林模型与偏最小二乘路径模型(PLS-PM)，量化各因子对SOC的驱动路径。
研究结果
3.1 作物产量与SOC组分
秸秆还田配施玉米-大豆轮作处理的玉米与大豆产量均为各处理最高，其中2024年玉米产量较连作玉米提升3.52%，2023年大豆产量较连作大豆提升14.41%。SOC及其组分对管理措施响应显著：秸秆还田使SOC提升7.69%~19.62%，MAOC与POC同步增加，但DOC无显著变化；玉米-大豆轮作显著提升DOC 6.05%~14.96%、MBC 8.21%~18.89%，且MNC含量较连作平均提升13.42%~41.43%，其中真菌残体碳(FNC)对MNC的贡献占主导。
3.2 SOC组分的贡献与相关性
Pearson相关分析显示，MAOC与SOC的关联性强于POC，但POC对SOC的边际贡献速率更高；FNC与MNC显著正相关，且FNC与SOC、MAOC均呈极显著正相关，而细菌残体碳(BNC)无此关联。组分贡献分析表明，秸秆还田配施轮作处理的MAOC对SOC贡献率达各处理最高，POC贡献率相应降低，实现SOC向稳定库的再分配。
3.3 胞外酶活性、酶计量学与土壤呼吸
秸秆还田配施轮作处理的碳、氮、磷获取酶活性均为各处理最高，较其他处理提升13.81%~135.99%。酶向量分析显示，所有处理微生物均受氮限制，秸秆还田缓解了氮限制与碳限制，其中轮作配施还田的氮限制程度最低。土壤呼吸方面，秸秆还田整体提升累积呼吸15.13%~33.71%，但轮作配施还田的累积呼吸较连作玉米配施还田降低9.03%，体现出更低的碳损失。
3.4 SOC的关键驱动因子与路径
随机森林模型解释SOC总变异的85%，其中MAOC（21.42%）、酶向量角(VA, 14.76%)、POC（14.54%）为核心驱动因子；MAOC的关键驱动为VA、氮获取酶(N-acq)与MNC，POC的关键驱动为MBC、碳氮比(C/N)与土壤呼吸(Rs)。PLS-PM模型（拟合优度GOF=0.67）进一步证实：种植模式通过直接促进MNC积累与胞外酶活性调控SOC，秸秆管理通过提升MBC间接影响POC；MAOC对SOC的直接效应（0.73）显著高于POC（0.36），MBC通过MNC积累间接驱动MAOC形成。
讨论与结论
讨论部分指出，秸秆还田配施轮作未依赖更高碳输入，而是通过提升微生物碳利用效率，将更多外源碳转化为稳定的MAOC。轮作引入的大豆秸秆碳氮比更低，更易被微生物同化，缓解了微生物氮限制，增强了微生物残体的矿物保护过程，即微生物碳泵(MCP)效率提升。此外，轮作提升了DOC含量，低分子量DOC可直接通过矿物吸附固定为MAOC，进一步强化稳定碳库积累。
研究结论明确：玉米-大豆轮作与秸秆还田的协同管理并非简单叠加碳输入，而是通过调控微生物过程重塑SOC组分构成，提升稳定碳占比。该模式通过缓解微生物营养限制、促进有机碳向MAOC转化（核心驱动力为MNC积累），实现SOC从活性库向稳定库的转移，同时协同提升作物产量。其中，轮作主导SOC稳定化与MAOC分配，秸秆还田主要影响POC贡献与土壤酶活性、MBC动态，为东北农田固碳与粮食安全协同管理提供了可落地的农艺范式。
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