东北地理所在揭示长期秸秆还田对黑土有机碳周转规律方面取得进展
秸秆还田是提升农田土壤有机质的有效措施,一方面秸秆可为土壤提供新的外源碳,另一方面秸秆可为土壤微生物提供丰富的碳源和养分,促进微生物大量繁殖,但由于秸秆较高的碳/氮比,微生物在分解利用秸秆的同时,会加速对土壤有机质的分解,以获取更多的氮。因此,秸秆还田会对土壤中新碳的形成和老碳的分解同时产生重要影响。
土壤有机碳(SOC)含量是由新碳形成和老碳分解之间的动态平衡所决定的,只有同时掌握新碳和老碳的数量变化,才能充分理解SOC的周转特征。目前有关秸秆还田对黑土SOC影响的研究主要集中在其数量的变化规律上,但对简单数量变化背后存在的“黑箱”,即对新、老有机碳变化特征的认识还不够充分。开展这方面研究对估算黑土固碳潜力具有重要意义。
东北地理所研究人员基于中国科学院海伦农业生态实验站17年长期定位试验,选取玉米连作下的土壤,利用13C稳定性同位素技术,结合SOC物理分组方法,研究了连续秸秆还田条件下,游离态轻组、闭蓄态轻组和重组3种不同SOC组分中新、老碳的动态周转规律。研究发现,在无肥和单施化肥处理下,外源碳输入量少,老碳的损失均大于新碳的形成,即入不敷出,最终导致SOC含量呈现下降趋势,而秸秆还田处理下,新碳形成速率高于老碳分解速率,导致SOC含量持续提升(图1)。与无肥和单施化肥相比,秸秆还田配施化肥处理显著提升了秸秆源新碳的比例,但秸秆还田处理外源碳的转化率最低(图2)。稳定程度不同的SOC组分对秸秆还田的响应存在着明显差异,游离态轻组和闭蓄态轻组2种活性组分中老碳的分解速率在秸秆还田后得到缓解,而稳定性组分重组中的老碳则会在秸秆还田后加速分解,“激发效应”较强。秸秆还田促进了稳定性组分中老碳的分解,但有利于活性组分中老碳的保存。由于重组碳占SOC比例较高(86%以上),因此,从SOC整体来看,秸秆还田促进了老碳的分解,但这掩盖了不同SOC组分对外源碳输入响应的差异。总之,该研究从田间原位的角度验证了秸秆还田诱发的“激发效应”在不同SOC组分中具有强弱之分,并从侧面论证了对土壤有机质进行分组研究的重要性。
图1. 2003-2020年间不同施肥方式下土壤及其组分中新、老碳的储量变化
注:NF-无肥,NPK-施化肥,NPKS-秸秆还田配施化肥,fLFOC-游离态轻组碳,oLFOC-闭蓄态轻组碳,HFOC-重组碳
图2. 2003-2020年间不同施肥方式下外源碳在全土和有机碳组分中的转化率
该研究成果近期发表在农林科学国际期刊《Agriculture, Ecosystems and Environment》上,海伦农业生态实验站高级工程师郝翔翔为第一作者,邹文秀研究员为通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目(2022YFD1500100, 2021YFD1500400)、中国科学院战略先导专项(XDA28070100)以及财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系(CARS 04)共同资助。
论文信息:Xiangxiang Hao, Xiaozeng Han, Cui Wang, Jun Yan, Xinchun Lu, Xu Chen,Wenxiu Zou*. Temporal dynamics of density separated soil organic carbon pools as revealed by δ13C changes under 17 years of straw return. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2023, doi: 10.1016/j.agee.2023.108656.
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.agee.2023.108656
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