豆科与禾本科秸秆配合还田对土壤碳固持的影响及调控机制

发布时间：2020-04-08 04:34

【摘要】：土壤有机碳是表征肥力的核心指标,其固持能力对于地力提升和减排都具有决定意义。渭北旱塬区作为重要的旱作农业区,近年土壤肥力普遍下降,而且其水热条件仅满足一年一熟,夏休闲期普遍插播豆科绿肥,因此地力培肥模式较为特殊,为小麦播种前将豆科绿肥与上季麦茬一起翻压还田。如今种植绿肥的主要目的已不是提高氮素肥力,而是其固碳效果。现有关于外源有机物料投入对土壤有机碳固持作用的研究结果并不一致,存在零累积,甚至下降的情况,这可能与投入的有机物料本身性质有关,更与土壤本身的性质有相当密切的联系。而现在国内外关于豆科残体和禾本科秸秆配合还田对不同性质土壤碳固持的研究存在空白,对于这种配合能否促进土壤有机碳固持以及相关机理尚不清楚,且现有研究大多未区分来自外源作物残体的有机碳和土壤原有机碳,同时对在此过程中微生物群落组成和胞外酶活性变化的了解存在极大不足。因此,研究豆科禾本科秸秆组合还田对不同性质土壤固碳效应的影响及其机理对保障粮食安全、培肥农田地力以及减排固碳和具有重大意义。本研究设置为期127 d的培养试验,运用自然δ~(13)C和高通量测序技术,共有原有机碳含量不同的土壤、添加小麦、豆科秸秆3个因素,为完全试验方案,8个处理,研究禾本科与豆科秸秆配合还田对不同有机碳含量土壤碳固持以及酶活性和微生物群落组成的影响。其次,又设置为期112 d的培养试验,采用自然δ~(13)C技术,选取添加小麦、豆科秸秆和石灰共3个因素,共6个处理,分别为:(1)对照;(2)添加石灰;(3)添加麦秆和豆秆;(4)添加麦秆延时添加豆秆;(5)石灰配合麦秆豆秆添加;(6)石灰配合麦秆添加延时添加豆秆。研究延迟配合石灰添加豆科秸秆与小麦秸秆还田对SOC矿化、固持的调控机制,主要得出以下结果:1.小麦秸秆与豆科秸秆配合还田对不同有机碳含量土壤碳固持影响的研究结果表明,土壤原SOC含量高以及添加秸秆都会导致更高的CO_2-C累积释放量,相对于原SOC含量低的土壤添加麦秆、添加豆秆、配合添加两种秸秆处理,原SOC含量高的土壤添加麦秆、添加豆秆、配合添加两种秸秆处理CO_2-C累积释放量分别提高15.6%、13.4%和13.9%。MBC、MBN和DOC都随培养时间逐渐降低,土壤原SOC含量高和添加秸秆会提高MBC、MBN和DOC。添加秸秆均有效提高了有机碳固持量,而原SOC含量低的土壤提高幅度较大。原SOC含量高的土壤添加麦秆、添加豆秆、配合添加两种秸秆处理相较于未添加秸秆的对照处理SOC分别提高了14.6%、7.8%、20%;原SOC含量高的土壤添加麦秆、添加豆秆、配合添加两种秸秆处理相较于未添加秸秆的对照处理SOC分别提高了26.5%、10.2%、22.0%,添加麦秆和配合添加两种秸秆不仅固碳效果优于添加豆秆处理,形成的新SOC也较多。2.监测土壤酶活性变化,结合高通量测序技术研究微生物群落,查明豆秆麦秆配合还田对微生物多样性和群落组成的影响,以及与SOC的偶联关系。三种水解酶活性伴随时间显著降低,添加秸秆可有效提高其活性,且原SOC含量高相应水解酶活性也高,微生物多样性也和水解酶的结果类似。微生物群落组成主要为Proteobacteria(23.1%-30.0%)、Acidobacteria(7.9%-28.5%)、Actinobacteria(11.8%-27.8%)、Chloroflexi(13.4%-17.4%)、Gemmatimonadetes(5.3%-12.0%)和Bacteroidetes(1.9%-5.9%)。低SOC土壤添加豆秆和配合添加两种秸秆处理Acidobacteria相对丰度明显较低,而Actinobacteria相对丰度明显提高。添加豆秆Gemmatimonadetes和Chloroflexi的相对丰度下降。添加秸秆尤其是添加豆秆的处理RB41和鞘氨醇单胞菌的相对丰度均减小,而链霉菌和芽孢杆菌的相对丰度均有所增加。碳投入量与MBC、累积CO_2-C释放量以及新SOC有十分密切的正相关关系,且Actinobacteria、Firmicutes和Bacteroidete与其关系也十分密切。MBC、DOC、β-葡萄糖苷酶活性、新SOC以及累积CO_2-C释放量分别解释了细菌群落变异的21.0%、14.8%和24.0%、6.9%和4.5%。3.延迟添加豆秆与麦秆配合石灰还田对SOC矿化特征、碳固持的调控机制研究发现,添加石灰和延迟添加豆秆CO_2-C累积释放量降低幅度显著。未添加秸秆、添加豆秆和麦秆、添加麦秆延时添加豆秆处理添加石灰后CO_2-C累积释放量分别减少了235.2mg C kg~(-1)、609.3 mg C kg~(-1)和273.9 mg C kg~(-1),比例分别为62.6%、22.6%和18.8%。不添加石灰延时添加豆秆处理CO_(2-)C累积释放量减少1248.0 mg C kg~(-1),比例为85.8%;添加石灰延时添加豆秆处理CO_2-C累积释放量减少912.6 mg C kg~(-1),比例为77.3%。添加石灰可有效提高土壤DOC和AN,降低水解酶活性以及MBC和MBN。配合添加两种秸秆、添加麦秆延时添加豆秆、配合石灰添加两种秸秆以及配合石灰添加麦秆延时添加豆秆处理培养结束后新SOC数量分别为0.3 g kg~(-1)、0.5 g kg~(-1)、04 g kg~(-1)和0.8 g kg~(-1),原SOC损失量分别为0.6 g kg~(-1)、0.7 g kg~(-1)、1.3 g kg~(-1)、1.5 g kg~(-1)。综上,可得出以下主要结论:1)秸秆还田使有机碳含量高的土壤释放出的CO_2-C增多。添加秸秆后,原SOC含量低的土壤有机碳固持比例高于原SOC含量高的土壤,且在两种土壤上添加小麦秸秆和添加小麦与豆科秸秆的固碳效果更好。2)添加秸秆和原SOC含量高都会使土壤中水解酶活性和土壤细菌多样性增高,而且两种秸秆的配合添加改变了土壤细菌群落结构,同时原SOC含量对土壤细菌群落结构改变也有一定作用。3)添加石灰和延时添加豆秆都会促进SOC矿化,导致碳固持效果下降。
【图文】：

麦秆,释放速率,矿化速率,土壤

2.3 结果与分析2.3.1 对土壤有机碳矿化的影响如图 2-1 所示，原 SOC 含量不同土壤添加等质等量的秸秆后其有机碳矿化速率化趋势基本一致（图 2-1），在两种土壤上，，矿化速率的顺序都为：添加两种秸秆的理（AWL 与 BWL）> 添加豆科秸秆的处理（AL 与 BL）>添加小麦秸秆的处理（A与 BW）> 对照（A 与 B）；首先配合添加两种秸秆（AWL、BWL）与添加豆科秸秆（ALBL）的处理第 1 天矿化速率基本相同，而添加豆科秸秆（AL、BL）的处理随后矿速率开始逐渐降低，此时矿化速率最大，分别为 446.7 和 444.8 mg C kg-1day-1，而配添加两种秸秆（AWL、BWL）的处理在第 3 天时矿化速率有小幅度的减少，紧接着在第 4 天再次升高达到最大值，分别为 513.7 和 524.2 mg C kg-1day-1，同时添加小麦秆（AW、BW）的处理也在第 4 天时达到最高矿化速率，分别为 294.3 和 317.6 mg kg-1day-1，之后各处理的矿化速率都在降低逐渐趋于稳定。

土壤图,土壤,小麦秸秆,麦秆

图 2-2 各处理 CO2-C 累积释放量（A、B 分别代表原 SOC 含量高和低土壤；W、L 分别代表添加麦秆和豆秆；不同小写英文字母表示处理间 P<0.05 水平显著）Fig. 2-2 CO2-C emission rate under different treatments（A and B represent hight and low soil organiccarbon content soil respectively; W and L represent addition of wheat straw and leguminous strawrespectively；Different lowercase letters represent significant difference at P<0.05 level）表 2-2 添加小麦秸秆（W）、豆科秸秆（L）对原有机碳含量不同土壤（S）CO2-C 累积释放量的影响Table 2-2 Effect of wheat straw addition (W) and leguminous straw (L) addition on cumulativeCO2-C emission in soils amended with soil organic carbon content (S)因素 FactorCO2-C 累积释放量Cumulative CO2-C emission增加量CO2-C increase relative（mg C/kg）（mg C/kg）SOC 含量（S）SOC content (S)A 3808.6 bB 3282.6 b -526.0小麦秸秆（W）Wheat straw (W)W02066.1 c
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S153.6;S141.4

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