在農田生態(tài)系統(tǒng)輪作體系中，由于豆科作物有利于改善土壤肥力、維持土壤健康被廣泛推薦使用。然而，由于豆科作物殘體具有較低的C/N比值，容易被微生物分解利用，進而可促進土壤有機碳礦化及其激發(fā)效應(PE)。目前已有大量研究探究了不同輪作系統(tǒng)對土壤有機碳礦化的影響，但是豆科作物在輪作系統(tǒng)中種植的頻率對土壤有機碳的激發(fā)效應的影響尚不清晰，不利于進一步明確豆科作物對土壤碳動態(tài)的影響。

攻關任務“土壤有機質衰減的阻控原理與提升的耕作培肥技術”研究人員基于中國科學院海倫農業(yè)生態(tài)試驗站作物長期輪作試驗平臺，選取小麥和玉米為主的不同作物輪作系統(tǒng)，采集具有不同大豆種植頻率的土壤樣品，利用穩(wěn)定同位素示蹤技術結合室內培養(yǎng)實驗，探究了豆科作物參與的不同輪作系統(tǒng)中土壤微生物量和群落結構等對農田黑土有機碳礦化及其激發(fā)效應的影響。

研究表明，在連作系統(tǒng)中，小麥連作土壤具有最高的土壤有機碳礦化速率，其次是大豆，玉米連作的土壤具有最低的有機碳礦化速率。在小麥和玉米輪作系統(tǒng)中，葡萄糖添加均促進了土壤有機碳礦化，即引起正激發(fā)效應，其中葡萄糖添加使小麥和玉米輪作系統(tǒng)中土壤CO₂排放分別增加了195–230%和255–300%(圖1a)。大豆參與的小麥和玉米輪作系統(tǒng)中，葡萄糖添加引起的激發(fā)效應分別比小麥和玉米連作增加了27–38%和22–26%，但大豆種植頻率對于小麥和玉米輪作系統(tǒng)中PE的影響不顯著(圖1)。在小麥和玉米輪作系統(tǒng)中，大豆的參與增加了土壤C/N比以及真菌生物量，降低了土壤B/F比，進而促進了土壤激發(fā)效應強度(圖2)，但大豆種植頻率對土壤有機碳激發(fā)效應的影響不顯著，該結論在一定程度上可為通過調整豆科作物參與的輪作體系促進土壤固碳提供了依據(jù)。

相關研究成果近期發(fā)表在農林科學領域國際期刊《Plant and Soil》上。中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所博士研究生戴閃閃為第一作者，李祿軍研究員為通訊作者。研究工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA28010301)等項目聯(lián)合資助。

圖1 不同小麥和玉米輪作系統(tǒng)中土壤有機碳礦化、激發(fā)效應(PE)和葡萄糖分解

圖2 土壤有機質激發(fā)效應強度(PI)與土壤C、N以及微生物性質之間的關系

原文鏈接

https://doi.org/10.1007/s11104-023-05947-2