2026, Vol. 63
2. 土壤与农业可持续发展全国重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 南京 211135
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 211135, China
土壤有机碳库作为陆地生态系统中最大的碳库，其碳储量大约为大气碳储量的2倍到3倍，超过了大气与植被碳库的总和[1]。土壤有机碳库的微小变化会直接影响大气中温室气体浓度，进而加剧气候变化[2]。农田土壤碳库占陆地土壤总碳库的8%~10%[3]，因此促进农田土壤固碳能力成为减缓气候变化的关键措施之一。土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）是土壤的重要组成部分，主要由动物和植物残体、根系分泌物及微生物残体构成。作为土壤肥力的重要指标，SOC不仅影响土壤肥力、作物产量和地球碳循环，对调节全球碳循环和应对气候变化也至关重要[4]。因此，土壤有机碳库的稳定性及其机制已成为当下的研究热点之一。
早期研究将土壤视为均匀整体，认为不同深度土层碳库对环境变化的响应具有一致性[5]。然而，这一观点未能充分考虑土壤剖面的异质性特征，以及自然条件和人为活动的差异。事实上，土壤碳库对环境变化的响应呈现出明显的层次性特征。因此，将土壤简单视为均质体的研究方法难以准确评估气候变暖对土壤碳库及全球生态系统的潜在影响。在农田生态系统中，农业管理措施使表层土壤更易受到人为干扰，且在短时间尺度上表现出更显著的变化[6]。表层土壤（0~20 cm）作为人类活动的主要作用区域，其碳库动态已得到广泛关注[7]。然而，深层有机碳的环境响应和稳定机制与表层有机碳存在显著差异。深层SOC的循环过程受非生物和生物因素的调控，这些因素均随土壤深度呈现梯度变化。研究表明，SOC含量与土层深度呈指数下降趋势，土壤的理化及生物指标，比如微生物活性等，也在垂直剖面上呈现出明显的分层特征[8]。目前大多数研究聚焦于0~20 cm表层土壤的SOC固持机制，对深层SOC的转化和固定的关注相对不足。深层土壤作为陆地生态系统的重要碳储库，约占陆地土壤总碳储量的50%，其在全球碳循环和气候变化响应中的作用不容忽视[9]。从长远来看，深层SOC的缓慢更替对于陆地应对气候变化的反馈至关重要[10]。然而，目前针对深层土壤碳库的研究仍较为有限，厘清深层土壤碳库对全球气候变化的响应问题亟待解决。
施用有机粪肥作为一项重要的农田土壤固碳措施，可以显著提升SOC含量和储量。有机粪肥的施用不仅直接为土壤提供外源有机碳输入，促进碳的固定过程，还能优化土壤团聚体结构，增强微生物活性[11]，从而为碳的稳定固存创造有利条件。从农业生产和减缓气候变化的角度来看，有机粪肥的施用不仅能为作物生长提供必需养分，还能通过促进植物生物量的积累，增加碳的固定与返还，进而间接推动SOC的积累和土壤质量的提升[11]。长期施用有机粪肥可显著增加SOC储量，主要在于有机粪肥中的有机碳更易被土壤微生物利用，促进稳定的有机-无机复合体形成。此外，有机粪肥中的养分均衡释放，有利于维持土壤生态系统的碳固定功能。多项Meta研究已证实，有机粪肥能够显著提高SOC的固存速率[12，13]，且大多默认土壤为均匀整体，未能充分考虑有机粪肥施入土壤后对不同土层产生的差异化影响。有机粪肥影响深层土壤有机碳（SOC）的动态机制主要包含以下三个方面的作用路径：首先，粪肥中的可溶性有机碳及矿质养分通过土壤水分下渗向深层迁移[14]，直接参与深层SOC库的构建与稳定化过程；其次，有机养分的持续供给显著促进植物根系生物量增加及垂直延伸，由此产生的根系分泌物在剖面上的分布深度和通量均显著提升，为深层土壤微生物群落提供有效碳源，进而通过微生物代谢产物的再合成途径强化SOC固持[15]；再者，粪肥输入可改善土壤团粒结构，通过降低容重和增加孔隙度来优化土壤三相比例，形成更适宜微生物活动的微域环境，从而促进微生物量有机碳（MBC）积累转化，最终实现深层SOC储量的提升[14]。基于上述机制解析，本研究提出以下科学假设：有机粪肥对土壤剖面SOC储量的提升效应存在显著空间异质性，其影响强度随土层深度增加呈梯度递减趋势；区域气候要素（年均温度、年均降水量）通过调控有机碳矿化速率与农田管理措施（有机粪肥类型、施用量、持续时间等）形成交互效应，共同决定剖面SOC的累积模式与分布特征。
本研究采用Meta分析方法，重点分析了不同土层（0~20 cm、20~40 cm和 > 40 cm）SOC含量及储量的时空变化特征，探讨施用有机粪肥对农田SOC储量的影响，通过量化评估自然因素（如气候条件）和人为管理措施（如施肥方式、氮肥用量等）对各土层SOC储量的动态影响，揭示土壤剖面SOC储量分布差异的驱动机制，为构建合理的碳库管理策略，为农田土壤固碳减排和应对气候变化提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 文献检索本研究系统收集了截至2023年已发表的相关文献数据，其中中文文献主要来自中国知网（https://www.cnki.net/index），英文文献主要来自Web of Science核心合集数据库（https://www.webofscience.com/wos/）。本研究所用中文检索词包括有机粪肥、土壤有机碳等，所用英文检索词包括organic fertilizer，manure，soil organic carbon。为确保研究的准确性，本研究所用文献均严格满足以下筛选标准：1）试验类型限定为大田试验，排除盆栽或温室试验；2）试验设计需包含至少1对处理组（M）和对照组（CK），具体而言，当试验组仅施用单一有机粪肥时，对照组采用空白对照；而当试验组是将氮磷钾与有机粪肥配施时，对照组则为施用等量氮、磷、钾的处理；3）文献需提供或可通过计算获得不同土层SOC储量数据。基于以上标准严格筛选，共获得符合要求的文献74篇，共获得有效试验数据462对。
1.2 数据收集、分组与换算在文献数据收集与处理过程中，提取文献中试验点的土壤容重（BD）、SOC含量、SOC储量、采样深度等数据，包括各个试验处理的重复次数以及有机粪肥施用信息（包括有机粪肥类型、施用量、持续时间等）。其中，土壤有机碳（SOC）数据若以土壤有机质（SOM）形式，则利用公式SOC =SOM/ 1.724进行转化。每组数据均应包括平均值（M）、样本量（n）和标准差（SD）。本研究采用GetData Graph Digitizer软件对文献图表数据进行数字化提取，并将其录入数据库，若为表格形式数据则直接录入数据库。
为深入分析不同土层SOC储量的影响因素，本研究将土壤剖面划分为三个层次：0~20 cm（表层）、20~40 cm（中层）和 > 40 cm（深层，最深至100 cm）。基于各土层SOC含量与土壤容重的相关关系[16]，构建趋势线模型，推算出部分文献中缺失的表层和深层土壤容重数值。通过式（1）计算得出SOC储量。
| $ {\text{SOC}}_{储量}\text{=}{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}\left({C}_{i}\times {\rho }_{i}\times {T}_{i}\right)}\times {10}^{-1} $ | (1) |
式中，SOC储量为土壤有机碳储量，t·hm–2；Ci为第i层土壤有机碳含量，g·kg–1；ρi为第i层土壤容重，g·cm–3；Ti为土壤深度，cm。
本研究使用MetaWin2.1进行Meta分析，以响应比（R）的自然对数为效应值（lnR）[17]：
| $ \ln {\text{R}} = {I_{\text{n}}}\left( {\frac{{{{\text{x}}_{\text{t}} }}}{{{{\text{x}}_{\text{c}}}}}} \right) = \ln {{\text{X}}_{\text{t}}} - \ln {{\text{X}}_{\text{c}}} $ | (2) |
式中，Xt为施有机粪肥处理下土壤有机碳含量，以C计，g·kg–1；Xc为未施有机粪肥处理下土壤有机碳含量，以C计，g·kg–1。通过式（3）得到各效应值对应的权重：
| $ {\text{Weight}} = \frac{{\left( {{{\text{n}}_{\text{t}}} \times {{\text{n}}_{\text{c}}}} \right)}}{{\left( {{{\text{n}}_{\text{t}}} + {{\text{n}}_{\text{c}}}} \right)}} $ | (3) |
式中，Weight为权重；nt为施有机粪肥处理的试验重复次数；nc为未施有机粪肥处理的试验重复次数。
利用重抽样法计算效应值的95%置信区间，如果效应值的95%置信区间不与0重合，那么则认为效应值显著，即若置信区间全部 > 0，则说明有机粪肥施入显著增加农田土壤有机碳储量（P < 0.05）；若置信区间全部 < 0，则说明有机粪肥施入能够显著降低农田土壤有机碳储量（P < 0.05）。若置信区间包含0，则说明有机粪肥施入对农田土壤有机碳储量无显著影响。
本文采用失安全数（fail-safe number或FSN）对数据偏移进行量化。若失安全数大于临界值（5n+10，n为文献收集到的案例数），则代表数据显著性结果的可信度高，不存在发表偏移。
施用有机粪肥后农田中新形成的SOC被认为是缓解气候变化的一个重要途径。新SOC固存效率（New SOC Sequestration Efficiency，NCE）是评估土壤碳固存效果的关键指标，定义为施有机粪肥处理下SOC储量与未施有机粪肥处理下SOC储量的差值与投入总碳量之比[18]，公式如下：
| $ \text{Cropland NCE=}\frac{{\text{SOC}}_{储量,\text{t}}-{\text{SOC}}_{储量,\text{c}}}{{\text{C}}_{\text{input,t}}} $ | (4) |
式中，Cropland NCE为农田新SOC固存效率，%；SOC储量，t为施有机粪肥处理下SOC储量，t·hm–2；SOC储量，c为未施有机粪肥处理SOC储量，t·hm–2；Cinput，t为总C输入率，t ·hm–2。
本研究采用Microsoft Excel 2016建立标准化信息数据表，记录并整理文献中的关键信息，包括试验点地理信息、农田管理措施、气候条件参数，以及土壤初始理化性质等基础数据。采用Metawin2.1软件对所提取的试验数据进行整合分析；采用Origin Pro 2017对整合分析结果进行绘图；采用SPSS22.0进行相关分析和显著性检验。
2 结果 2.1 农田土壤剖面有机碳含量及有机碳储量对有机粪肥施入的响应如图 1所示，有机粪肥施用显著提高了各层土壤剖面的SOC含量和储量，提升效应在表层土壤（0~20 cm）中表现最为显著。与对照处理相比，表层SOC含量为10.9 g·kg–1，施肥后为14.6 g·kg–1，增幅为33.9%（P < 0.01）；表层SOC储量从28.3 t·hm–2增加至36.4 t·hm–2，增幅为28.6%（P < 0.01）。有机粪肥对SOC的增效随土层深度的增加呈现明显的递减趋势。在20~40 cm土层，未施有机粪肥时SOC含量为8.7 g·kg–1，施肥后为10.4 g·kg–1，增幅为19.5%（P < 0.001）；SOC储量从23.6 t·hm–2增长至27.5 t·hm–2，增幅为16.5%（P < 0.01）。在 > 40 cm深层土壤中，有机粪肥的增效作用进一步减弱，SOC含量从5.8 g·kg–1增长至6.2 g·kg–1，仅增加了6.9%；SOC储量从45.6 t·hm–2增长至48.7 t·hm–2，仅增加了6.8%，但均未达到显著水平。
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注：CK表示不施肥；M表示施用有机粪肥；不同小写字母表示同一处理下剖面间差异显著；不同大写字母表示同一剖面下不同处理间差异显著；误差线表示标准误（SE）。 Note: CK means no fertilization; M means applying origan manure; The lowercase letter abc indicates the significance of the soil profile under the same treatment; The capital letter ABC indicates the significance of different treatments in the same profile; Error bars represent the Standard Error(SE). 图 1 有机粪肥施入前后剖面有机碳含量与有机碳储量的变化（a、b）及比例（c、d） Fig. 1 Changes of SOC content and SOC stock in soil profile before and after organic manure application(a, b)and proportion(c, d) |
图 2定量揭示了有机粪肥施用对土壤有机碳（SOC）剖面分布的梯度效应。土层SOC储量增幅呈现显著垂直分异特征（P < 0.01）：表层土壤（0~20 cm）提升幅度达24.9%，显著高于20~40 cm土层的16.7%（降幅8.2%）及 > 40 cm土层的6.6%（降幅18.3%）。深层土壤（> 40 cm）SOC储量的增量较20~40 cm土层降低10.1%，其与表层的差异达到极显著水平（降幅为18.3%，P < 0.01）。
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注：括号内数值代表样本数，误差棒代表 95%置信区间，下同。 Note: The digitals in parentheses represent independent sample size. Error bars are the 95% confidence intervals. The same below. 图 2 剖面有机碳储量对有机粪肥施入的响应 Fig. 2 Response of SOC stock in profile to organic manure application |
如图 3所示，年均温显著影响有机粪肥施用对SOC储量的提升效果。年均温为0~10℃时，有机粪肥施用显著提高了各土层SOC储量，其中0~20 cm、20~40 cm和 > 40 cm土层分别增加了22.6%、16.4%和10.0%（P < 0.05），且增效随土层加深呈递减趋势。在年均温为10~15℃时，> 40 cm土层SOC储量增幅最小，仅为5.5%，而0~20 cm和20~40 cm土层分别显著增加了31.8%和16.7%（P < 0.001）。当年均温 > 15℃时，有机粪肥施用对40 cm以下土层SOC储量的提升作用不显著，0~20 cm和20~40 cm土层表现出显著增效（P < 0.05）。
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图 3 不同年均温度和年均降水量条件下剖面有机碳储量对有机粪肥施入的响应 Fig. 3 Response of SOC stock in the soil profile to organic manure application under annual mean temperature and annual mean precipitation |
不同年均降水量条件下，有机粪肥施用对SOC储量的提升效果基本随土层深度增加而减弱。降水量≤400 mm时，有机粪肥施用对SOC储量的增幅为13.7%，对0~20 cm和20~40 cm土层增幅分别为17.2%和15.3%，对 > 40 cm土层增幅仅为7.3%（P < 0.05）。降水量为400~600 mm时，有机粪肥施用对SOC储量的增幅为20.2%，对0~20 cm和20~40 cm土层增幅分别为28.7%和16.9%（P < 0.05），对 > 40 cm土层增幅仅为8.9%。降水量 > 800 mm时，有机粪肥施用对全土层SOC储量的增幅为13.9%，对0~20 cm和20~40 cm土层增幅分别为25.1%和22.2%（P < 0.05），对 > 40 cm土层SOC储量无显著影响。降水量为600~800 mm时，有机粪肥施用对SOC储量的提升效果随土层深度增加先减弱后增强，> 40 cm土层SOC储量的提升效果与0~20 cm土层相当，增幅分别为23.4%和22.7%，高于对20~40 cm土层SOC储量的提升效果。
2.3 不同施肥类型、施氮量和土地利用方式下剖面有机碳储量对有机粪肥施用的响应如图 4所示，施肥类型对SOC储量的影响因土层深度不同而异。单施有机粪肥（M）的提升效果最为显著，较未施有机粪肥增加了19.7%；其次为氮磷钾+有机粪肥（NPK+M）及氮+有机粪肥（N+M），较施用NPK增加了16.8%及16.7%。在0~20 cm表层土层，SOC储量的增幅依次为：M > NM > NPKM > NPM；在20~40 cm土层土壤中为：NM > NPKM > M > NPM；在 > 40 cm深层土壤中则为：NPKM > NM > M > NPM。单施有机粪肥条件下，0~20 cm和20~40 cm土层的SOC储量分别增加了29.0%和16.5%（P < 0.001），但对 > 40 cm土层的SOC储量的提升效果无显著影响，仅为6.2%。
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图 4 不同施肥类型、施氮量和土地利用方式下剖面有机碳储量对有机粪肥施入的响应 Fig. 4 Response of SOC stock in the soil profile to organic manure application under different fertilization types, nitrogen application rates, and land use patterns |
氮肥施用量显著影响有机粪肥的固碳效果。当氮肥施用量≤100 kg·hm–2·a–1时，SOC储量的提升效果最为显著，增幅达33.8%，但对 > 40 cm土层的SOC储量有负面影响。在氮肥施用量为100~200 kg·hm–2·a–1时，有机粪肥对SOC储量的提升效果显著，增幅为18.5%，其中0~20 cm土层的增幅为25.7%，对20~40 cm和 > 40 cm土层无显著差异；当氮肥施用量超过200 kg·hm–2·a–1时，有机粪肥使0~20 cm、20~40 cm和 > 40 cm土层SOC储量分别增加23.6%、17.0%和7.0%（P < 0.001）。
在不同土地利用类型的旱地系统中，有机粪肥施用显著提升了全土层SOC储量，且随土层加深效应逐渐减弱，其中0~20 cm土层增幅最大，为26.0%（P < 0.001）。在水旱轮作系统中，有机粪肥对 > 40 cm土层SOC储量影响不显著，对0~20 cm和20~40 cm土层的提升效果基本一致。水田的研究结果表明，有机粪肥施用显著增加水田0~20 cm土层的SOC储量，增幅为18.8%，对 > 40 cm土层的SOC储量则有负面影响，但均未达到显著水平。
2.4 土壤剖面有机碳储量对有机粪肥施入的响应图 5揭示了施肥年限对有机粪肥驱动SOC累积效应的阶段性调控规律。结果显示，SOC储量的提升效果随施肥年限呈现先增强后减弱的特征：短期（≤10年）整体SOC储量的提升效果最低（16.3%），其中0~20 cm、20~40 cm及 > 40 cm土层增幅分别为21.7%、13.7%和7.9%（P < 0.001）；中期（11~20年）表层SOC储量的提升效果提升至28.2%，但中层增幅下降至12.8%。长期（21~30年）各土层SOC储量的提升效果达峰值（28.7%、23.0%、5.4%），而当施肥年限超过30年时则呈现新的垂直分异格局：表层（24.6%）和中层（19.5%）增幅回落，但 > 40 cm土层有机粪肥施入对SOC储量的增幅显著提升至13.0%，较前期各阶段增幅分别提高5.1~7.6个百分点。
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图 5 不同施肥年限、有机粪肥种类和有机粪肥施用量条件下剖面有机碳储量对有机粪肥施入的响应 Fig. 5 Response of SOC stock in the soil profile to organic manure application under duration of organic manure application, types of organic manure, and application rate of organic manure |
有机粪肥类型显著影响SOC储量的提升效果。在0~20 cm表层土壤中，各类有机粪肥均显著提高了SOC储量，效果排序为：鸡粪 > 农家肥 > 猪粪 > 牛粪 > 羊粪 > 商品有机肥。在20~40 cm中层土壤中，猪粪、鸡粪和牛粪的提升效果最为显著，增幅分别为22.3%、19.5%和16.5%。而在 > 40 cm深层土壤中，鸡粪和农家肥表现出显著的提升效果，增幅分别为14.8%和11.7%。综合来看，鸡粪对各土层的SOC储量提升效果最佳。
有机粪肥施用量对SOC储量的影响也存在差异。在0~20 cm土层，低施用量（≤20 t·hm–2）和高施用量（> 20 t·hm–2）SOC储量分别提升22.3%和28.2%（P < 0.001）。在20~40 cm土层，低有机粪肥施用量SOC储量提升7.4%，高有机粪肥施用量SOC储量提升23.4%，较低施用量高16.0个百分点（P < 0.05）。在 > 40 cm土层，低施用量和高施用量对SOC储量的提升效果分别为8.9%和5.3%，但差异不显著。
3 讨论 3.1 剖面有机碳含量和储量的变化在本研究中，有机粪肥施用显著提高了不同土层SOC含量与储量，其垂直分布特征与文献报道的有机粪肥施用对表层SOC积累的突出效应具有一致性，表明有机粪肥施用对表层土壤的SOC积累具有显著的促进作用[19]。
有机粪肥对SOC的提升主要有两个原因：一是直接碳输入效应。有机粪肥自身含有大量有机碳（平均含量达35%~45%），直接增加土壤碳库[20]；二是间接碳输入效应，有机粪肥所含氮、磷等营养元素通过促进作物生物量增长，进而增加根系分泌物和作物残体输入，提高了土壤中的有机碳积累[21]。此外，施用有机粪肥还可改善土壤结构，促进土壤微团聚体向大团聚体的转化，通过物理保护机制降低SOC矿化速率，增强土壤的固碳潜力。
本研究发现，在0~20 cm土层中，有机粪肥施用后SOC含量的增幅为29.0%，显著低于蔡岸冬等[22]研究中58.4%的增幅。这种差异可能源于试验设计的对照组设置：在本研究中，对照组的设置并非完全统一为绝对空白对照。在垂直分布上，20~40 cm和 > 40 cm土层SOC含量增幅（19.5%和6.9%）显著低于表层。这可能是由于常规表施使70%~80%的有机粪肥集中于0~20 cm表层，导致深层土壤的SOC含量增长较少。随土层深度的增加，大团聚体含量减少，黏粉粒含量增加，表层施用的有机粪肥与土壤颗粒接触更为紧密，有助于有机物的分解和稳定；深层土壤由于接触面积较小，有机粪肥的效果较差[23]。此外，表层土壤的水分和氧气供应更为充足，微生物的活跃程度和根系密度较高，有机质的分解和转化较为有效，因此促进了SOC的积累[24]。而深层土壤中水分流动较少，养分的迁移与淋溶作用也降低了有机粪肥对SOC积累的影响，导致深层土壤中的SOC含量增加较少。
3.2 农田新有机碳固存效率有机粪肥的施用显著提升了农田新SOC固存效率（NCE）。研究结果表明，0~20 cm土层的NCE（14.1%）高于20~40 cm土层（10.0%），显著高于 > 40 cm土层（2.9%）。空间异质性主要源于以下原因：首先，可能与浅层土壤中有机物质的积累、微生物活性以及碳源分解性密切相关，而深层土壤主要通过根系分泌物和DOC淋溶作用获取碳源。其次，在0~20 cm土层中，表层土壤微生物生物量碳和胞外酶活性等指标显著高于深层[25]，促进易分解碳库（LPOC）向稳定碳库（MAOC）转化。相比之下，20~40 cm和 > 40 cm土层中，由于有机物质的输入减少且微生物活性较低，SOC固存效率明显降低。此外，深层土壤（> 40 cm）的低NCE还与其较低的温度和酸性环境有关，低温-酸性耦合环境降低了深层SOC矿化速率，进一步抑制了微生物的有机碳分解作用，进而影响SOC的积累[2]。
3.3 各土层有机碳储量对有机肥施入响应的初始土壤性质因素图 6表示土壤初始理化性质对有机粪肥施用的SOC储量的影响。在表层土壤中，初始SOC含量与有机粪肥施用后的SOC储量响应呈显著负相关性（P < 0.05）。这可能是因为表层土壤微生物活性较高，有机碳分解速率较快，因此即使初始SOC含量较高，但由于分解作用强烈，SOC储量在有机粪肥施入后并未显著增加。在20~40 cm土层中，初始SOC含量与SOC储量呈微弱的正相关。这表明在该土层中，有机碳分解速率相对较慢，初始SOC含量的增加可能有助于SOC的积累。有机粪肥施入后，SOC储量的增加可能与有机碳分解的减缓有关。在 > 40 cm的深层土壤中，初始SOC含量与SOC储量依然呈负相关性，但相关性不如表层土壤显著。这可能是因为深层土壤的微生物活性较低，有机碳分解速率较慢，SOC储量的变化更多地受到土壤质地和水分条件的影响，而非初始SOC含量[32]。
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注：黑实线为有机碳储量的响应与土壤中初始有机碳、初始酸碱度、初始总氮、施氮量、施肥年限及有机粪肥施用量的相关回归曲线，灰色阴影区间为95%置信区间；n为数据的样本量；P为显著性检验。 Note: The solid black line is the correlation regression curve of SOC stock response change, soil initial SOC, initial pH, initial TN, N rate, Organic manure years, and Organic manure application. The gray-shaded interval is a 95% confidence interval. n is the sample size of the data; P stands for the significance test. 图 6 土壤有机碳储量的响应与土壤初始有机碳（a）、初始酸碱度（b）、初始全氮（c）、施氮量（d）、施肥年限（e）及有机粪肥施用量（f）的关系 Fig. 6 Relationship between the response of soil organic carbon stock and the initial SOC(a), initial pH(b), initial TN(c), N application rate(d), organic manure years(e), and organic manure application rate(f) |
在表层土壤中，较高的初始pH与SOC储量呈正相关性。这可能是因为较高的pH有利于好氧微生物的增殖，加速养分矿化并促进植物根系分泌物的积累，从而提高外源有机碳的输入[33]。此外，有机粪肥施入后，表层土壤中的新鲜有机质更容易被微生物分解，较高的pH可能进一步增强了这一过程，导致SOC储量的增加。在20~40 cm土层中，较高的初始pH与SOC储量呈负相关。这可能是因为相对于酸化土壤，较高的pH下，土壤微生物活性增加，加速了有机碳的分解，尤其是在有机碳分解速率较慢的深层土壤中，导致SOC的流失[2]。有机粪肥施入后，这一层的有机碳分解可能进一步加剧，pH较高条件下显著减少SOC储量。在 > 40 cm的深层土壤中，较高的初始pH与SOC储量呈正相关性。这可能是因为较高的pH促进了矿物质（特别是黏土矿物）与有机碳的结合，形成稳定的有机-矿物复合物，从而减少碳的流失[34]。有机粪肥施入后，深层土壤中的矿物质含量较高，能够与有机碳形成更稳定的复合物，较高的pH可能通过改善土壤结构和微生物群落的稳定性，促进SOC的长期积累。
在0~20 cm和 > 40 cm土层中，初始全氮（TN）含量与SOC储量呈显著负相关性（P < 0.05）。较高的TN含量可能通过加速氮矿化作用，缓解有机肥碳投入下微生物的氮限制，促进有机碳分解，从而减少SOC储量。有机粪肥施入显著增加表层SOC储量，这是因为表层土壤微生物活性较高，且有机粪肥中的有机物质可以直接补充SOC。20~40 cm土层由于水分和温度等环境因素对微生物活性和有机碳分解的影响较小，初始TN含量对SOC储量的影响不显著，由于环境因素对微生物活性的限制，有机粪肥施入对SOC储量的影响不显著。有机粪肥施用对 > 40 cm土层的SOC储量影响较小，因为深层土壤的微生物活性较低，且有机碳输入有限。
3.4 各土层有机碳储量对有机粪肥施入响应的自然因素本研究系统分析了有机粪肥施用对不同土层SOC储量的影响，发现年均温度和年均降水量显著影响有机粪肥施用后SOC储量的提升效果（图 3）。在低温区（0~10℃），有机粪肥对全剖面SOC储量的提升效应显著（P < 0.05），且随土层深度增加梯度衰减（图 6）。这主要归因于低温减缓了微生物活性和有机碳分解速率，从而延长了外源碳在土壤中的滞留时间[26]。然而，当温度升至中温区（10~15℃）时，深层土壤（> 40 cm）SOC储量的增幅较表层土壤低4.5%（P < 0.001）；温度超过15℃后，深层SOC固持效应消失，表明高温引发的加速矿化过程可能完全抵消粪肥施入的固碳效果[11]。降水梯度分析进一步证实水热耦合机制对SOC动态的协同调控。在400~600 mm及 > 800 mm降水区间，表层土壤（0~20 cm）SOC储量增幅达28.7%和25.1%，而深层响应微弱，与既有研究结论相吻合[10]。而降水量过低（≤400 mm）或过高（> 800 mm）可能限制植物生长或降低土壤通气性，不利于有机碳的固存。
3.5 各土层有机碳储量对有机粪肥施入响应的人为管理因素本研究系统解析了农业管理措施对有机粪肥介导的SOC剖面分布格局的调控机制。施肥类型、施氮量和土地利用方式显著影响有机粪肥提升SOC储量的效果，且这种影响在不同土层深度存在差异（图 4）。单施有机粪肥（M）处理对SOC储量的提升效果最为显著（P < 0.05），这主要归因于其直接输入的可矿化有机质为微生物代谢提供了有效碳源，同时腐殖化过程增强了有机碳的化学稳定性[14]。施氮量调控分析（图 6）证实，施氮量与0~20 cm土层SOC储量呈正相关关系，但未达到显著性水平，其机制在于适量氮素供应通过促进作物生物量积累，提升碳输入，但过量施氮会引发土壤酸化，导致微生物碳利用效率下降[27]。在表层土壤中，施氮对植物生长和微生物活性的促进作用更为显著，因此对SOC的积累具有更直接的影响。土地利用类型比较研究表明，旱地系统中有机粪肥施用对全土层SOC储量的提升效果最为显著，且呈现典型SOC剖面衰减模式（0~20 cm > 20~40 cm > 40 cm以下）。水旱轮作系统因耕作扰动促进碳垂直迁移，使20~40 cm土层SOC储量的增效与表层差异不显著。而水田系统深层土壤（> 40 cm）出现SOC损失趋势，这可能与淹水条件改变氧化还原状态，削弱有机-矿物复合体的稳定性有关。
施肥年限、有机粪肥类型和施用量对SOC储量提升效果的影响存在显著差异（图 5）。施肥年限分析显示，SOC累积效应呈现非线性动态：短期（≤10年）显著提升主要源于外源碳输入激发的微生物代谢活性；中期（11~20年）SOC储量提升效果增强，其机制可能涉及土壤团聚体发育增强有机碳物理封存[28]；长期（≥21年）增速趋缓可能与微生物底物利用效率下降有关[29]。30年以上持续施肥促使深层土壤（> 40 cm）SOC增量显著提升（P < 0.05），表明长期碳输入可能通过溶解性有机碳（DOC）淋溶途径强化深层碳库建设。有机肥类型效应呈现显著垂直分异：表层土壤（0~20 cm）以鸡粪处理效果最优，这与其高比例易矿化的有机质促进微生物同化作用密切相关；中层（20~40 cm）牛粪和猪粪处理分别通过纤维素组分改善孔隙结构、菌群互作提升碳转化效率[30]；深层土壤（> 40 cm）中鸡粪与农家肥的显著效应可能源于腐殖质-黏土矿物复合体的稳定性增强[11]。有机粪肥施用量对SOC储量具有显著影响，结果表明，在0~20 cm土层，有机粪肥施用量与SOC储量呈显著相关关系（P < 0.01），该效应在20~40 cm土层逐步减弱（P < 0.01），而 > 40 cm土层无统计学显著性（图 6），这与Liu等[31]的研究结果一致，表明有机粪肥显著影响表层土壤SOC。有机粪肥富含有机物质，施用后能够增加土壤中的有机碳输入，从而显著提升SOC储量。随着土壤深度的增加，有机粪肥与土壤的接触面积及混合程度逐渐降低，导致其对SOC储量的影响逐渐减弱，尤其是在 > 40 cm土层中，有机粪肥与SOC储量之间不再呈现显著相关性。
4 结论本研究系统评估了有机粪肥施用对不同土层SOC含量和储量的影响，施用有机粪肥显著提高了各土层的SOC含量和储量，尤其在表层土壤（0~20 cm）中效果最为明显。气候因素显著影响SOC储量对有机粪肥施用的响应。土壤固碳效率受自然因素（年均温和年均降水量）和人为因素（施肥类型、氮肥用量、土地利用方式和施用年限）的共同调控。其中，有机粪肥配施氮肥模式可显著提升表层土壤SOC储量。未来的研究可以进一步探索如何通过改进农业管理措施，实现更高效的碳固存，从而更好地应对全球气候变化带来的挑战。
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