玉米秸秆碳在黑土团聚体中赋存转化及其对土壤微生物群落与功能的影响

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hgra_1982
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土壤有机碳是衡量土壤肥力的重要指标,其具有高度异质性,不同土壤有机碳组分对有机碳的固定作用存在差异。土壤团聚体是土壤肥力的基础,也是土壤有机碳固定机制的核心。作物残体是土壤有机质的重要来源,加入土壤后会在土壤碳组分和土壤团聚体中转化,在微生物的作用下形成不同类型的代谢产物,从而可能影响土壤有机碳的固定机制。但目前关于外源有机碳进入黑土后,有机碳赋存和转化及其对微生物的影响尚不十分清楚。基于此,本研究以农业部公主岭黑土生态环境重点野外科学观测试验站为平台,选择其中三种长期(29年)典型施肥管理的土壤为研究对象(不施肥,CK;施用无机肥,IF;有机肥配施无机肥,IFM),利用稳定碳同位素示踪技术,添加13C标记的玉米秸秆,于2018年5月起进行为期360天的田间原位微区培养试验。研究在长期不同施肥条件下,玉米秸秆碳在土壤碳物理组分中赋存与分配动态,土壤微生物对秸秆来源活性碳组分的响应机制,玉米秸秆碳在土壤团聚体中赋存与分配动态,土壤团聚体中微生物对玉米秸秆碳输入的响应机制。旨在探索微生物—团聚体—有机碳之间相互作用机制。本研究得出的主要结果如下。(1)矿物结合态碳组分是黑土有机碳固存的主要碳组分。在三种处理中,整个培养期中有机碳及秸秆碳含量在矿物结合态有机碳组分中最高。在培养期的第360天,秸秆碳在矿物结合态碳组分中相对分布最高,为36%-70%。随着培养的进行,在长期施用无机肥及有机肥配施无机肥的土壤中,秸秆碳在矿物结合态有机碳组分中的分配比例逐渐降低,在游离态轻组有机碳组分中的分配比例逐渐升高。(2)秸秆来源活性有机碳组分对真菌群落产生积极影响。土壤细菌群落仅仅受秸秆来源微生物量碳的影响。秸秆添加后,在培养期的第150天,秸秆来源颗粒有机碳含量在三种处理中分别增加了3倍(不施肥处理)、5倍(单施无机肥处理)和20倍(有机肥配施无机肥处理);而秸秆来源可溶性有机碳含量在三种处理中分别减少了71%(不施肥处理)、57%(单施无机肥处理)和95%(有机肥配施无机肥处理)。土壤真菌群落对秸秆碳的响应比土壤细菌群落更积极,其功能组成也因不同施肥的影响而各有差异。在三种处理中,秸秆添加后土壤细菌网络边数分解减少了16%(不施肥处理)、53%(单施无机肥处理)和73%(有机肥配施无机肥处理),表明秸秆添加后细菌网络复杂性均降低。秸秆添加后,不施肥处理的土壤真菌网络边数减少了57%,但是在单施无机肥和有机肥配施无机肥处理中土壤真菌网络复杂性分别增加了160%和310%,表明秸秆添加后真菌网络复杂性在不施肥的土壤中降低,在施用肥料(单施无机肥和有机肥配施无机肥)的土壤中增加。不同施肥条件下土壤细菌和真菌的微生物关键种群有所差异,且其活跃程度也受到不同施肥的影响。(3)0.25–1 mm团聚体是主要的黑土有机碳积累和稳定团聚体。在黑土长期施用无机肥没有显著增加土壤团聚体中有机碳含量。整个培养期中有机碳含量在0.25–1 mm团聚体中最高。随着培养的进行,秸秆碳的相对分布在>2 mm和1–2 mm团聚体中减少,但是在<0.25 mm团聚体中增加。在培养的第360天,秸秆碳在0.25–1 mm团聚体中的相对分布最高,达到了40%–49%。三种处理中<0.25 mm团聚体的秸秆碳含量都在培养期的第360天达到最大,为0.05–0.10 g kg-1。在秸秆分解的过程中,秸秆碳会逐渐在较小粒级的团聚体中积累。(4)施肥管理措施影响团聚体中真菌关键种群对秸秆碳输入的响应策略。在不施肥的土壤中,大团聚体中真菌关键种群对秸秆碳输入后的培养期的第60天和第150天响应更积极;而在施肥的土壤中,微团聚体中真菌关键种群对秸秆碳输入后培养期的第1天响应更积极。在培养期间,大团聚体中秸秆碳含量持续保持增加。添加秸秆碳后,在三种处理中土壤微团聚体细菌和真菌网络边数都高于大团聚体网络边数,表明添加秸秆后土壤微团聚体的网络复杂性高于大团聚体的网络复杂性。土壤团聚体中细菌和真菌微生物群落组成和功能特征因团聚体粒级的大小和施肥管理措施而不同。土壤团聚体中细菌和真菌的微生物关键种群有所差异,且其活跃程度也受到不同施肥管理的影响。综上,本研究为深入理解团聚体尺度内的微生物与有机碳的相互作用关系提供新的证据,为理解土壤固碳的机制提供新的理论基础,为改善东北黑土区土壤结构和提高土壤肥力、保障国家粮食安全提供重要的理论依据。
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