13C富集玉米根、茎、叶添加对长期不施肥和施肥处理棕壤土壤呼吸的影响及其激发效应.pdf
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1、第 60 卷 第 4 期 土 壤 学 报 Vol.60,No.4 2023 年 7 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Jul.,2023 *国家自然科学基金项目(41807086)资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41807086)通讯作者 Corresponding author,E-mail: 作者简介:于雅茜(1997),女,辽宁朝阳人,硕士研究生,从事土壤有机碳转化研究。E-mail: 收稿日期:20211030;收到修改稿日期:20220510;网络首发日期():20
2、220915 http:/ DOI:10.11766/trxb202110300587 于雅茜,裴久渤,刘维,王萌萌,尹思佳.13C 富集玉米根、茎、叶添加对长期不施肥和施肥处理棕壤土壤呼吸的影响及其激发效应J.土壤学报,2023,60(4):10771087.YU Yaxi,PEI Jiubo,LIU Wei,WANG Mengmeng,YIN Sijia.Effects of Root,Stem and Leaf of Maize Enriched by 13C on Brown Earths Respiration and Their Priming Effects Under Long
3、-term Fertilization ConditionsJ.Acta Pedologica Sinica,2023,60(4):10771087.13C 富集玉米根、茎、叶添加对长期不施肥和施肥处理棕壤土壤呼吸的影响及其激发效应*于雅茜,裴久渤,刘 维,王萌萌,尹思佳(沈阳农业大学土地与环境学院/土肥高效利用国家工程研究中心/农业农村部东北耕地保育重点实验室,沈阳 110866)摘 要:玉米根、茎、叶残体因含碳化学组分差异,还田后对不同肥力土壤呼吸及激发效应的影响存在差异性,为探究这种影响的田间差异性,采用13C 标记玉米秸秆示踪方法,在沈阳农业大学棕壤长期定位试验站进行 540 d 田间
4、培养试验,共设置 8 个处理:低肥土壤(LF+CK)、低肥土壤根(LF+R)、低肥土壤茎(LF+S)、低肥土壤叶(LF+L)、高肥土壤(HF+CK)、高肥土壤+根(HF+R)、高肥土壤+茎(HF+S)、高肥土壤+叶(HF+L)。结果显示:(1)培养期内,土壤呼吸通量、秸秆碳对土壤 CO2-C 排放的贡献率均呈下降趋势;(2)与不添加秸秆土壤相比,低肥土壤添加根、茎、叶处理的土壤 CO2-C 排放累积量分别增加 134%、126%和 95%,高肥土壤分别增加 157%、189%和 96%;(3)根、茎在高肥土壤中对土壤 CO2-C 排放的贡献显著大于叶,在低肥土壤中并无差异;(4)秸秆不同部位还
5、田均会引起高低肥土壤的正激发效应,其中添加根、茎的激发效应显著强于叶,而秸秆不同部位对两种肥力水平土壤的激发效应均无显著影响。综上,秸秆不同部位还田对土壤呼吸的 CO2累积排放量影响显著;玉米叶较玉米根、茎容易分解,但由于土壤自身养分差异,玉米叶还田初期在低肥土壤分解速率高于根、茎,而在高肥土壤小于根、茎。因此细化秸秆还田对农田土壤呼吸有重要意义,未来在秸秆还田研究中应考虑秸秆不同部位和土壤肥力间的交互影响。关键词:农田土壤呼吸;土壤有机碳;玉米不同部位秸秆还田;稳定碳同位素示踪;激发效应 中图分类号:S158 文献标志码:A Effects of Root,Stem and Leaf of
6、Maize Enriched by 13C on Brown Earths Respiration and Their Priming Effects Under Long-term Fertilization Conditions YU Yaxi,PEI Jiubo,LIU Wei,WANG Mengmeng,YIN Sijia(College of Land and Environment,Shenyang Agricultural University/National Engineering Research Center for Efficient Utilization of So
7、il and Fertilizer/Key Laboratory of Arable Land Conservation in Northeast China,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Shenyang 110866,China)1078 土 壤 学 报 60 卷 http:/ Abstract:【Objective】Due to the differences in carbon chemical components among maize residue s(root,stem and leaf),their return to
8、cropland soils with different fertility levels will induce differences in soil respiration and priming.【Method】In order to explore these differences in the field,a 540-day in-situ field experiment with eight treatments of low fertilizer soil(LF+CK),low fertilizer soil+root(LF+R),low fertilizer soil+
9、stem(LF+S),low fertilizer soil+leaf(LF+L),high fertilizer soil(HF+CK),high fertilizer soil+root(HF+R),high fertilizer soil+stem(HF+S)and high fertilizer soil+leaf(HF+L),was carried out at a long-term positioning station of brown earth in Shenyang Agricultural University using 13C labeled maize straw
10、 tracing method.【Result】Results showed that(1)the contribution rates of soil respiration flux and straw carbon to soil CO2-C emission showed downward trends over the in-situ incubation period.(2)Compared to the treatment without straw,the cumulative CO2-C released from low fertility soil with root,s
11、tem and leaf increased by 134%,126%and 95%,respectively,while that from high fertility soil increased by 157%,189%and 96%,respectively.(3)The contributions of root and stem to soil CO2-C emission in high fertility soil were significantly greater than that of leaf,but there was no difference in low f
12、ertility soil.(4)Different parts of maize straw returning to the field could cause the positive priming effects in both high and low fertility soils.Meanwhile,the priming effects of adding root and stem were significantly stronger than that of adding leaf,showing root and stem would cause more posit
13、ive priming effects of soil CO2-C than the leaf.Moreover,there was no significant effect on the priming effect between straw parts and soil fertility.【Conclusion】Overall,this study enriched the theory of cropland soil respiration induced by straw returning,suggesting that the interaction of straw pa
14、rts and soil fertility on soil respiration should be considered in straw returning.Key words:Soil respiration from cropland;Soil organic carbon;Different parts of maize straw returning;Stable carbon isotopic tracing;Priming effect 近年来,随着温室效应不断加剧,全球气候变暖问题成为当今人类面临的重大难题1,与气候问题密切相关的碳循环机制已成为全球变化研究领域的前沿与热
15、点问题2。陆地生态系统碳循环是全球碳循环中最复杂、受人类活动影响最大的部分3,土壤作为陆地生态系统中最大的有机碳库4,不仅为植被生长提供养分,同时也以 CO2的形式向大气释放碳,这一过程又被称为土壤呼吸5。因此,探究农田土壤呼吸对全球气候变化具有重要意义,并且迫在眉睫6。秸秆还田作为农田土壤培肥和固碳减排的重要措施之一,已成为国内外学者的研究热点7,其可以改善农田生态环境,提高土壤肥力及作物品质与产量8。然而,有研究表明,秸秆施入土壤后也会增强土壤呼吸9,且受多种因素的影响,包括土壤性质(如有机质含量、质地、pH)、环境因素(如含水量、降水、温度)和外源有机物加入数量和类型10等。武开阔等11
16、研究了秸秆不同还田量对土壤呼吸及土壤微生物量的影响,表明土壤呼吸强度与秸秆还田量呈正相关。不同肥力水平土壤由于本底所含有机碳含量的不同,导致土壤呼吸存在差异12。Lai 等13研究表明长期施用有机肥提高了土壤自身养分含量,同时也提高了土壤呼吸速率。吕真真等14研究表明土壤有机碳累计矿化量与土壤碳投入呈正相关,高肥土壤会提高土壤潜在可矿化有机碳量。此外,外源有机物(如秸秆)添加到土壤后可以直接影响土壤原有机质分解,这一过程被称为激发效应15。然而,秸秆不同部位(如根、茎、叶)因含有的化学组分和碳氮比不同16-17,施入土壤后的腐解速率将存在差异,其中叶含氮量高且由较多易分解的物质组成18,例如糖
17、类和氨基酸等;茎主要由纤维素和半纤维素组成;而根含有较多的角质和木质素类物质,较叶、茎难分解19。有研究表明,土壤添加的底物不同,对土壤有机质分解的影响不同20,如添加的底物难以分解时,微生物就会优先利用土壤有机质,从而加快土壤原有机质分解,产生正激发效应,而添加易分解的底物时,土壤微生物会优先分解利用底物,从而降低对土壤原有机质的分解,产生负激发效应21。Shahbaz 等9利用13C标记小麦根、茎、叶研究了秸秆不同部位添加对土壤有机质分解及激发效应影响的差异,来揭示不同部位秸秆矿化对激发效应影响存在的阈值,结果表明根矿化对激发效应增加的阈值最低。此外,有学者通过室内培养的方式开展了不同外源
18、碳的添加对土壤有机质分解的影响,结果表明,易分解外源碳会抑制原土壤有机质分解,而较难分解的外源碳会4 期 于雅茜等:13C 富集玉米根、茎、叶添加对长期不施肥和施肥处理棕壤土壤呼吸的影响及其激发效应1079 http:/ 促进原土壤有机质的分解22。秸秆不同部位还田后因其自身腐解速率存在差异,因此它们进入土壤后不仅会引起土壤呼吸的差异,也会造成土壤不同的激发效应,从而影响秸秆还田后评估土壤呼吸及其激发效应的准确性。然而,目前关于细化秸秆不同部位还田到不同肥力土壤后,评估土壤呼吸及其激发效应的研究仍然相对较少。综上,目前关于秸秆还田后对土壤呼吸的研究较多,且多为室内培养试验或不同作物秸秆整株还田
19、试验研究,而关于田间培养示踪作物秸秆(尤其是玉米秸秆)的不同部位残体还田,对土壤呼吸及其激发效应影响的细致研究相对较少。因此,本研究基于棕壤长期定位试验站,采用田间培养方式,结合13C同位素示踪技术,将玉米秸秆不同部位(根、茎、叶)分别施入高、低肥棕壤,旨在分析不同肥力条件下,玉米根、茎、叶残体添加对棕壤呼吸及激发效应影响的差异,以期细化玉米根、茎、叶残体添加对土壤呼吸的影响,为合理评估秸秆还田对土壤激发效应的影响以及优化秸秆分类还田提供理论依据。1 材料与方法 1.1 供试材料 试验布置于沈阳农业大学棕壤肥料长期定位试验站(41.82 N,123.57 E)。试验地地势平坦,海拔 75 m,
20、土壤为棕壤(简育淋溶土,当地地带性土壤类型)。属于北温带大陆性季风气候区,冬季寒冷 干燥,夏季高温多雨。年平均气温 7.5,年平均降水量 706 mm,10积温为 3 350,无霜期为153 d。该试验站始建于 1979 年,施肥试验从 1987年开始设置,一直持续至今。试验布置前,土壤有机质含量 15.60 gkg1,全氮 1.00 gkg1,全磷0.50 gkg1,碱解氮67.40 mgkg1,有效磷8.40 mgkg1。种植作物及方式均为玉米(当地常用品种)连作。所用肥料均作为基肥施入土壤。每年 4 月 25 日左右施肥、播种,并按常规进行田间管理,9 月 25 日前后进行小区测产、采样
21、和收割,并对玉米茎秆进行清除,然后进行翻地23。本试验选择其中两种施肥处理:低肥土壤(LF,长期不施肥)和高肥土壤(HF,每年施用含氮量为 270 kghm2的腐熟猪厩肥),两处理近五年平均产量分别为 289.2、707.8 kghm2。土壤样品于 2018 年 10 月玉米收获后采集。利用五点法和四分法采集两处理 020 cm 表层土壤,剔除植物根系等杂质后,室内自然风干,磨碎过5 mm 筛后保存备用(供试土壤性质见表 1)。13C 标记玉米根、茎、叶残体采自该试验站田间标记试验获得材料24。玉米成熟后收获植株,分离根、茎、叶,分别冲洗各部位后,在 105杀青 30 min,然后 60烘干
22、8 h。烘干植物样用粉碎机粉碎,通过0.425 mm 筛用于田间试验布置。取少量粉碎后的植物样再用球磨仪(Retsch MM200,德国)进行粉碎,过 0.15 mm 筛后利用元素分析-同位素比例质谱仪(EA-IRMS,Elementanalysis-Stable100 Isotope Ratio Mass Spectrometer,德国)测定碳氮含量及 13C 值(玉米各部位残体性质见表 1)。表 1 供试土壤及13C 标记玉米秸秆有机碳和全氮含量 Table 1 Contents of organic carbon and total nitrogen in tested soil and
23、 13C labeled maize straw 样品 Sample 有机碳 Organic carbon/(gkg1)全氮 Total nitrogen/(gkg1)碳氮比 C/N 13C 值 13C value/容重 Bulk density/(gcm3)质地 Texture LF 10.10 1.10 9.18 17.88 1.32 黏壤 HF 17.80 2.20 8.09 19.45 1.21 黏壤 R 407.50 12.50 32.60 209.00 S 440.80 14.41 30.60 252.00 L 428.00 12.50 34.24 235.00 注:LF,低肥土壤
24、;HF,高肥土壤;R,根;S,茎;L,叶。下同。Note:LF,Low fertility soil;HF,High fertility soil;R,Root;S,Stem;L,Leaf.The same below.1080 土 壤 学 报 60 卷 http:/ 1.2 田间培养试验布置 两种肥力土壤分别设添加玉米根(R)、茎(S)、叶(L)以及空白对照处理(CK,不添加任何残体),每个处理均设 3 次重复。首先分别称取各供试风干土 1 000 g(相当于烘干土重)与 10 g(1%还田量,即按当地高产玉米全量还田比例计算)粉碎后的玉米根、茎、叶分别混匀,加入蒸馏水调整含水量达到 70%
25、田间持水量(CK 只调整含水量达到 70%田间持水量),装入田间培养“秸秆腐解-气体收集”装置(图 1),于 2019 年 5 月初玉米播种前分别垂直埋入试验站相应处理的土壤耕层(020 cm)中(管上部露出地表约 10 cm 左右),管内不种植作物。平时 PVC 管口敞开,排水管控制阀打开,营造与田间环境相似的开放系统。样品采集时,用密封盖盖住管口,并将排水管控制阀关闭。另在地表放置 3个 10 cm 高(封底)的空 PVC 管用于校正环境 CO2的变化。图 1 试验装置断面示意图 Fig.1 Section diagram of the test device 样品采集时间为田间培养试验布
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