为了确定初始SOC含量是否会影响施氮肥的全球POC和MAOC变化，进行来自全球118个田间地点的609个POC和MAOC变化的观察结果（图1a），广泛涵盖了的初始SOC含量范围（0.79-46.1g/kg）。POC对施氮肥有5.0%的负相关，41%的无相关性，54%的正相关（平均效应量=0.22，P=0.02）；而MAOC对施氮肥有8.0%的负相关，64%的无相关性，28%的正相关（平均效应量=0.06，P=0.02）。为了解释POC和MAOC对施氮肥和潜在驱动因素反应的变化，考虑了8个气候、管理和土壤变量作为调节变量。方差分析表明，土壤性质和管理措施的相对重要性高于气候条件。模型中的重要预测因素包括初始SOC、施氮肥及其相互作用的个体影响（P<0.01），表明施氮肥对POC和MAOC的影响受到不同地区的初始SOC水平的调节。结果表明，非线性模型更适用于POC和MAOC对初始C含量的响应变化，这表明存在响应突变的SOC阈值。

进一步的阈值分析评估了POC和MAOC对各种初始SOC含量的反应，确定了它们的响应出现突变的特定SOC水平。通过比较6个非线性模型，发现氮肥料诱导的POC和MAOC变化以响应初始SOC含量的增加。具体地说，POC和MAOC的突变发生在初始C含量为13-15g/kg（图1b，c）小范围内。在初始C含量少于14.8g/kg时，POC急剧上升，初始C含量超过14.8g/kg后略有下降（图1b）。然而，在初始低C水平下，MAOC大幅下降。一旦超过13.2g/kg的SOC阈值，MAOC值随着SOC的增加而略微下降（图1c）。异质性分析进一步支持了这一观点，表明在氮添加下达到SOC阈值前后POC和MAOC响应存在明显差异（POC的Q_m=19.5，P<0.001；MAOC的Q_m=9.24，P<0.001；图1d，e）。施氮前POC的增加比施氮后的POC增加更重要，而MAOC的变化则相反。

为了解释初始SOC含量对氮施用情况下POC和MAOC的变化影响机制，从四个长期田间施氮肥实验中选择土壤样本。试验在衢州（QZ，9.49g/kg）、长武（CW，9.51g/kg）、四平（SP，16.3g/kg）和雅安（YA，17.4g/kg）4个不同初始SOC含量的农田进行。10年的施氮量影响了4个地点的土壤有机碳组成（P<0.001）。优化氮肥处理（OPT）和高氮处理（HN）增加了QZ和CW的POC含量（P<0.01），增加了SP和YA的MAOC含量（P<0.01）。有趣的是，POC和MAOC含量对氮肥的响应将四个地点分为两类：POC积累响应和MAOC积累响应（图2）。除了施氮肥和初始SOC含量的个体效应外，施氮肥和初始C含量对土壤SOC功能库的影响也存在交互作用（P<0.001），说明土壤POC和MAOC含量随施氮肥量的变化强烈依赖于初始SOC含量。根据分析结果，POC和MAOC突变的初始SOC阈值被确定为13-15g/kg。QZ和CW的初始SOC含量小于13g/kg，而SP和YA的初始SOC含量大于15g/kg。因此，这四个点的土壤可分为贫碳性（C-poor）土壤和富碳性（C-rich）土壤两类。值得注意的是，贫碳和富碳土壤的POC和MAOC含量的变化存在不同（图2b，d）。进一步的分析表明，施氮肥对贫碳土壤POC含量有积极的影响，与不施氮肥的土壤（N0）相比，平均增加了105%（P<0.001；图2a，b）。然而，在富碳土壤中，施氮肥使MAOC含量比N0增加了15%（P<0.001；图2c，d）。

为了研究施氮对POC和MAOC含量动态变化的影响机制，分析了一系列与碳库相关的变量，包括植物和微生物生物标志物、土壤微生物学特性、团聚体和矿物结合态以及SOC化学成分。与N0相比，在贫碳土壤和富碳土壤中，施肥分别增加了贫碳（148%）和富碳（115%）土壤的根系生物量（P<0.001；图3a）。与N0相比，施氮肥使贫碳土壤中的木质素酚增加了18.4%（P=0.121），但降低了微生物残体碳（P<0.001；图3a）。在富碳土壤中，木质素酚和微生物残体碳对氮肥的反应形成鲜明对比：木质素酚表现出负相关性，而微生物残体碳表现出正相关性（P<0.01；图3a）。随后，施氮使微生物残体碳增加了10.2%通过N0进行计数，证实了MAOC在富碳土壤中的积累（P<0.01；图3a）。与C转化相关的微生物特性在贫碳和富碳土壤之间表现出明显的对比效应（P<0.05；图3a）。相对于贫碳土壤中的N0，施氮肥促进了微生物C限制（P<0.05；图3a）。化肥缓解了微生物碳和资源限制，导致富碳土壤中微生物代谢商（qCO₂）下降13.6%（P<0.001；图3a），表明微生物生长更有效。

此外，相对于N0，施氮肥使氧化酶（酚氧化酶）减少了26.1%（P<0.01；图3a）。测量了团聚体的平均重量直径（MWD）和可交换阳离子的含量，施肥对团聚体稳定性和矿物质保护的影响通常取决于初始SOC（P<0.05）。在贫碳土壤中，施氮肥对MWD有积极影响（增加20.7%），但在富碳土壤中，施氮肥对MWD有负面影响（P<0.001；图3a）。另外，施氮肥增加了富碳土壤中铁和铝氧化物的含量，从而增强了土壤的矿物质保护能力（P<0.05；图3a）。13C-核磁共振光谱分析进一步表明，施氮肥使富碳土壤的水溶性和稠度从3.0%提高到10.0%，表明施氮肥可能有助于此类土壤中有机碳的稳定（P<0.05；图3a）。偏相关关系分析表明，贫碳土壤中控制SOC来源后，SOC和Mg_exe的相关系数下降了203%（图3b）。具体来说，在贫碳土壤中，根生物量和MWD与POC（R2=0.68，P<0.001；R2=0.45，P<0.001）密切相关（图3d）。在富碳土壤中，随着SOC稳定性的下降，MAOC和C来源（由植物C输入和生物标志物表征）之间的相关系数变得不显著（图3c）。根系生物量和Fe_p+Al_p浓度随着MAOC的增加而增加（图3e：R2=0.58，P<0.001；R2=0.65，P<0.001）。因此，植物碳输入是所有土壤中的单一控制，对POC和MAOC产生强烈的正相关。物理保护和矿物质保护分别与贫碳土壤中POC积累和富碳土壤中MAOC积累密切相关（图3）。

图3.长期施氮对碳库的起源、转化和稳定性以及碳库动态的关键指标的影响。a，施氮对贫碳和富碳土壤之间SOC来源（根系生物量、木质素酚和微生物残体碳）、微生物转化（代谢商qCO₂、氧化酶、真菌与细菌生物量比 F：B、资源限制、C限制）、SOC稳定性（团聚体、无定形铁铝氧化物Feo+Alo、有机络合态铁铝氧化物Fe_p+Al_p、交换性钙Caexe和交换性镁Mgexe）以及结构（脂肪族性和抗分解性）的影响及其差异。估计的效应大小是基于线性混合效应模型中经重新缩放的响应变量（均值为0，具有95%置信区间）的回归系数。图中的点和阴影部分表示效应大小的均值±标准误差。统计学显著性基于瓦尔德II型卡方检验，95%置信区间不包含零则表示具有显著性。实心圆表示施氮具有显著效应（P<0.05）。b、c，贫碳土壤的颗粒有机碳（POC）和富碳土壤的矿物结合态有机碳（MAOC）与四类因素（SOC来源（OR）、微生物转化（TS）、SOC物理和矿物稳定性（SA）以及结构（ST））之间的偏相关关系。最外层的圆圈表示正在检验的与POC或MAOC相关的因素（即OR、TS、SA和ST）。扇形的颜色表示相关的强度和方向，黑色边框表示在0.05水平上具有统计学显著性。零阶（Zero）和控制因素之间的颜色差异表示POC或MAOC与所检验因素之间的相关性对控制变量的依赖程度（控制因素和零阶之间圆圈颜色无变化=无依赖；圆圈颜色强度降低/增加=相关性减弱/增强）。d、e，贫碳土壤中的POC和富碳土壤中的MAOC与关键预测因子之间的相关性。每个面板中的实线表示使用线性回归得出的显著模型拟合（P<0.05），拟合线周围的阴影部分表示95%置信区间。qCO₂（μgCO₂·Cμg^-1MBCh^-1）：代谢商；F:B：真菌和细菌生物量比；MWD：团聚体平均重量直径；Feo+Alo：无定形铁/铝氧化物；Fe_p+Al_p：有机络合态铁/铝氧化物；Ca_exe和Mg_exe：交换性Ca²⁺和Mg²⁺的摩尔比。脂肪族性：烷基区域与氧烷基区域的比值；抗分解性：（烷基+芳香族碳）/（氧烷基+羧基碳）的比值。POC：颗粒有机碳；MAOC：矿物结合态有机碳。N0：对照（不施氮）；N：施氮（结合优化施氮量和高施氮量处理的结果）。贫碳土壤：合并衢州和长武的试验结果；富碳土壤：合并四平和雅安的试验结果。

04

当前施氮肥情景下全球农田POC和MAOC的变化

在过去的十年中全球预测表明，施氮肥导致POC和MAOC平均分别增加了26%和8.3%（图4a和b）。根据SOC阈值将全球农田分为两类：贫碳和富碳农田。与未施肥的土壤相比，施氮肥使贫碳土壤的POC增加了26%，富碳土壤的POC增加了22%。然而，施肥仅使贫碳土壤中MAOC增加7%，富碳土壤增加8%。我们发现施氮肥对POC的有益影响在亚热带区（27%）最大，其次是温带（26%）和北方（25%），热带地区最少（24%）。施肥导致的POC累积在东亚和北美最为明显。在非洲，POC对施肥的反应极小或不显著。我们的研究表明，在各种生态环境中，施氮肥显著增加MAOC含量，增幅在7%-10%之间。温带地区的增幅最显着，而热带地区的增幅最小。

图4.分别为预测当前施氮速率对全球旱作耕地中颗粒有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC）变化（%）影响的空间分布图及其纬度模式图。a，颗粒有机碳（POC）变化的全球分布图及其纬度分布。b，矿物结合态有机碳（MAOC）变化的全球分布图及其纬度分布。右侧插图展示了POC或MAOC的纬度平均值（黑线）和标准差（灰色阴影区域）。“Δ”表示在当前施肥水平下与未施肥情况相比，POC或MAOC的变化百分比。

图5. 施氮对土壤有机碳（SOC）及功能性碳库（颗粒有机碳POC和矿物结合态有机碳MAOC）影响，以及在贫碳土壤和富碳土壤中，施氮通过碳输入来源、微生物转化以及物理化学稳定作用的调控机制的概念图。在土壤有机碳含量低的贫碳土壤中，施氮促进了颗粒有机碳的留存，增加了土壤有机碳含量，这主要是通过影响植物源碳以及土壤团聚体内部的保护作用实现的。相反，在土壤有机碳含量高的富碳土壤中，施氮通过更高效的微生物碳循环（高代谢效率和泵送效率）和强大的矿物保护机制，促进了矿物结合态有机碳的固存，进而增加了土壤有机碳含量。红色路径代表了当前条件下施氮影响碳组分的主要机制。箭头方向表示变量的变化（向上表示增加；向下表示减少），而水平线则表示无变化。