東北地理所在揭示長期秸稈還田對黑土有機碳周轉規律方面取得進展
秸稈還田是提升農田土壤有機質的有效措施，一方面秸稈可為土壤提供新的外源碳，另一方面秸稈可為土壤微生物提供豐富的碳源和養分，促進微生物大量繁殖，但由于秸稈較高的碳/氮比，微生物在分解利用秸稈的同時，會加速對土壤有機質的分解，以獲取更多的氮。因此，秸稈還田會對土壤中新碳的形成和老碳的分解同時產生重要影響。
土壤有機碳（SOC）含量是由新碳形成和老碳分解之間的動態平衡所決定的，只有同時掌握新碳和老碳的數量變化，才能充分理解SOC的周轉特征。目前有關秸稈還田對黑土SOC影響的研究主要集中在其數量的變化規律上，但對簡單數量變化背后存在的“黑箱”，即對新、老有機碳變化特征的認識還不夠充分。開展這方面研究對估算黑土固碳潛力具有重要意義。
東北地理所研究人員基于中國科學院海倫農業生態實驗站17年長期定位試驗，選取玉米連作下的土壤，利用13C穩定性同位素技術，結合SOC物理分組方法，研究了連續秸稈還田條件下，游離態輕組、閉蓄態輕組和重組3種不同SOC組分中新、老碳的動態周轉規律。研究發現，在無肥和單施化肥處理下，外源碳輸入量少，老碳的損失均大于新碳的形成，即入不敷出，最終導致SOC含量呈現下降趨勢，而秸稈還田處理下，新碳形成速率高于老碳分解速率，導致SOC含量持續提升（圖1）。與無肥和單施化肥相比，秸稈還田配施化肥處理顯著提升了秸稈源新碳的比例，但秸稈還田處理外源碳的轉化率最低（圖2）。穩定程度不同的SOC組分對秸稈還田的響應存在著明顯差異，游離態輕組和閉蓄態輕組2種活性組分中老碳的分解速率在秸稈還田后得到緩解，而穩定性組分重組中的老碳則會在秸稈還田后加速分解，“激發效應”較強。秸稈還田促進了穩定性組分中老碳的分解，但有利于活性組分中老碳的保存。由于重組碳占SOC比例較高（86%以上），因此，從SOC整體來看，秸稈還田促進了老碳的分解，但這掩蓋了不同SOC組分對外源碳輸入響應的差異。總之，該研究從田間原位的角度驗證了秸稈還田誘發的“激發效應”在不同SOC組分中具有強弱之分，并從側面論證了對土壤有機質進行分組研究的重要性。
圖1. 2003-2020年間不同施肥方式下土壤及其組分中新、老碳的儲量變化
注：NF-無肥，NPK-施化肥，NPKS-秸稈還田配施化肥，fLFOC-游離態輕組碳，oLFOC-閉蓄態輕組碳，HFOC-重組碳
圖2. 2003-2020年間不同施肥方式下外源碳在全土和有機碳組分中的轉化率
該研究成果近期發表在農林科學國際期刊《Agriculture, Ecosystems and Environment》上，海倫農業生態實驗站高級工程師郝翔翔為第一作者，鄒文秀研究員為通訊作者。研究得到國家重點研發計劃項目（2022YFD1500100, 2021YFD1500400）、中國科學院戰略先導專項（XDA28070100）以及財政部和農業農村部國家現代農業產業技術體系（CARS 04）共同資助。
論文信息：Xiangxiang Hao, Xiaozeng Han, Cui Wang, Jun Yan, Xinchun Lu, Xu Chen,Wenxiu Zou*. Temporal dynamics of density separated soil organic carbon pools as revealed by δ13C changes under 17 years of straw return. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2023, doi: 10.1016/j.agee.2023.108656.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.agee.2023.108656
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