在農(nóng)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(yīng)(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(yīng)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(guān)任務(wù)“土壤有機質(zhì)衰減的阻控原理與提升的耕作培肥技術(shù)”研究人員基于中國科學(xué)院海倫農(nóng)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(shù)結(jié)合室內(nèi)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(jié)構(gòu)等對農(nóng)田黑土有機碳礦化及其激發(fā)效應(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)強度(圖2)，但大豆種植頻率對土壤有機碳激發(fā)效應(yīng)的影響不顯著，該結(jié)論在一定程度上可為通過調(diào)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(guān)研究成果近期發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)領(lǐng)域國際期刊《Plant and Soil》上。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)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(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)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(yīng)(PE)和葡萄糖分解

圖2 土壤有機質(zhì)激發(fā)效應(yīng)強度(PI)與土壤C、N以及微生物性質(zhì)之間的關(guān)系

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