外源有机物质输入对黑土有机碳矿化的激发效应和碳固定的影响机制

Organic inputs can influence the mineralization of soil organic matter (i.e. the priming effect) through their effects on soil aggregate structure, microbial activity, and microbial community structure, and consequently affect the stability and size of soil organic carbon pools. Less known, however, is the stabilizing mechanisms of the organic inputs in soils and their effects on the priming of native organics and long-term soil carbon stability. By using soil organic matter fractionation, stable isotope labeling, and microbiology techniques, the proposal is to study the priming effects of plant materials (i.e. straw, root exudates) and their decomposition and fates in Mollisols by combining field and laboratory experiments. Also investigated are the roles of microbial community, nutrient availability, and temperature on the regulation of decomposition, priming effects, and soil carbon balance. The objective is to better understand the stability of organic inputs in soils and its effects on the priming of Mollisols, soil carbon turnover, and stability. The completion of this project will provide information for sustainable management of Mollisols in the context of improving soil carbon stability and its quality and fertility, and scope to better understand the mechanisms of priming.

外源有机物质的输入会通过改变土壤团聚结构、微生物活性及其群落结构进而影响土壤有机碳的矿化过程（激发效应）。与此同时，外源有机物质自身的周转和分配进一步影响土壤有机碳的固定和积累过程。然而，以往研究较少同时从碳矿化和固定两个过程展开土壤碳积累及其平衡研究，针对黑土的研究更是缺乏。本项目结合当前气候变化研究的前沿问题与农业生产的实践需求，以东北农田黑土为对象，利用长期田间定位试验结合室内培养实验，采用土壤有机质分组、稳定同位素示踪和微生物学技术，研究：外源有机物质输入对土壤原有有机碳矿化的激发效应；外源有机物质在土壤中的周转和固定特征；土壤微生物活性和群落结构、土壤养分状况和温度等因素对激发效应和碳固定的影响。本项目旨在揭示外源有机物质输入条件下控制黑土农田土壤有机碳矿化激发效应、碳固定以及二者平衡特征的内在机制，为加深了解黑土有机碳积累特征、提升黑土肥力提供基础数据和理论支持。

外源有机物质输入被认为是维持和提升农田土壤有机碳含量的重要管理措施。然而，长期的外源有机物质输入未必能提升土壤有机碳含量，甚至可以促进土壤碳的损失。在这一过程中，激发效应是影响土壤碳平衡和动态的一个重要现象。本项目结合田间观测和室内培养，揭示了外源碳输入条件下，黑土农田土壤有机碳矿化的激发效应受外源有机物质种类、数量、土壤有机碳含量、微生物量大小、氮素有效性、温度等多种因素的响应及其机制。.基于长期定位实验样地，研究发现，高量有机肥或低量秸秆配施化肥NPK显著改变了黑土农田土壤碳库大小（土壤有机碳、可溶性有机碳和轻组有机碳）、养分含量（全氮、全磷和无机氮）和微生物量及其活性（微生物量碳，微生物熵）。尽管长期施肥和有机物料还田可显著改变土壤微生物量和氮素有效性，而且微生物量、氮素对土壤有机碳矿化具有重要作用，但微生物量大小及其与氮素有效性的交互作用对土壤有机质矿化激发效应和外源有机物质分解的影响还不明确。本项目基于室内培养方法，研究发现，经过42天的室内培养，约有9-16%的黑麦草被分解，分别占农田和草地土壤排放CO2的55%和34%。氮添加显著抑制了黑麦草的分解，而土壤微生物量的变化对黑麦草的分解没有影响。黑麦草添加对土壤有机质矿化造成了正激发效应；氮添加则降低了激发效应。而微生物量的变化对激发效应的影响因土壤而异。因此，土壤微生物量和土壤碳含量共同影响激发效应的大小和方向，同时受土壤氮素有效性的影响。另外，黑麦草添加激发了来源于土壤有机质的可溶性有机碳和微生物量碳。植物残体质量显著影响农田土壤中来源于植物残体的可溶性有机碳。氮素添加减少了植物残体碳对草地土壤可溶性有机碳的贡献，而显著促进了植物残体在农田土壤微生物量中的同化。研究认为，土壤初始微生物量和氮素有效性显著影响植物残体碳在土壤可溶性有机碳中的分配以及在土壤微生物中的同化，而影响程度受土壤管理历史的影响。