增温及秸秆施用对农田土壤呼吸的影响及微生物学机制研究

Climate warming, an important global environmental issue, has potential impacts on carbon cycle and soil microorganisms in cropland. Under the background of prohibition of field burning of crop straw, the increasing amounts of straw returning to field would also potentially affect carbon cycle and soil microorganisms in cropland. It is important to investigate the responses of carbon cycle in cropland to climate warming and the change of agricultural management regime by studying the effects of warming and straw application on soil respiration and their microbiological mechanisms. In this study, two-factor (warming and straw application) split-plot designs are planned to be used. Seasonal variations in soil respiration and soil temperature and moisture under different warming and straw application treatments in a soybean-winter wheat rotation cropland will be measured. Moreover, microbial carbon and nitrogen, microbial community components, microbial diversity, and microbial ability using different carbon sources at the key growth stages of crops will be determined. By performing this project, we aim to address the following issues. Firstly, is the soil respiration pattern influenced by the single factor (warming or straw application) different with that influenced by the two factors (warming and straw application)? Secondly, how do warming and straw application influence soil microorganisms? Thirdly, which key soil microbiological indexes that can influence soil respiration may be changed by warming and straw application?

气候变暖是重要的全球性环境问题，其对农田碳循环及土壤微生物具有潜在影响。在秸秆禁烧的背景下，秸秆还田量增加也会对农田碳循环及土壤微生物产生潜在影响。研究增温及秸秆施用对农田土壤呼吸的影响及微生物学机制对于探讨农田碳循环对气候变暖和农业管理措施改变的响应规律具有重要意义。本项目计划设置增温和秸秆施用双因素裂区试验，观测不同增温及秸秆施用条件下的大豆-冬小麦轮作农田土壤呼吸季节动态和土壤温湿度，并测定作物关键生育期土壤微生物碳氮，微生物群落组成，微生物多样性，微生物利用不同碳源的能力。通过本项目的实施，力图阐明如下主要问题：一是增温及秸秆施用对农田土壤呼吸的单因子影响规律与复合影响规律是否存在差异？二是增温及秸秆施用对农田土壤微生物的影响规律是怎样的？三是增温及秸秆施用通过改变哪些关键的土壤微生物学指标进而影响土壤呼吸。

气候变暖是当前人们普遍关注的环境问题，秸秆施用是促进农田碳吸收的重要农业管理措施。为研究增温及秸秆施用对农田土壤呼吸的影响及微生物学机制，于2017‒2021冬小麦‒大豆生长季设置了2个增温处理、3个秸秆施用水平的4年田间裂区试验，观测了不同增温及秸秆施用条件下农田土壤呼吸季节变化，并观测土壤温度、湿度动态，收获的作物不同部分（茎叶、根、籽粒）生物量，细菌、真菌群落结构和多样性，微生物量碳和微生物量氮。结果表明增温及秸秆施用显著促进了土壤呼吸，且土壤呼吸随秸秆施用量增大而线性增加。增温总体上增加了作物茎叶和根系生物量，但对产量促进作用不明显。秸秆施用显著增加了茎叶生物量、根生物量、产量。季节平均土壤呼吸均随茎叶生物量、根生物量、产量、总生物量增大而增大。茎叶生物量及产量对土壤呼吸的影响比根生物量更明显，这可能与在作物生长过程中地上部分植株光合作用固定的碳向土壤中的输送有关。在2017‒2018冬小麦、2018大豆、2018‒2019冬小麦、2019大豆生长季，各处理土壤细菌相对丰度最高的门均为变形菌门（Proteobacteria）。在2017‒2018冬小麦、2018大豆、2019大豆生长季各处理土壤真菌相对丰度最高的门为子囊菌门（Ascomycota），2018‒2019冬小麦生长季则为担子菌门（Basidiomycota）。在不同生长季增温及秸秆施用对土壤细菌和真菌物种数、Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数的影响效应存在差异，在试验处理后第2、3、4个生长季增温及秸秆施用对细菌α多样性影响效应较明显，而在试验处理后第1和第4个生长季增温及秸秆施用对真菌α多样性产生影响效应。增温对土壤微生物量碳和微生物量碳氮比具有显著促进效应。不同增温及秸秆施用处理下土壤呼吸与土壤温湿度，细菌、真菌群落α多样性，微生物量氮，作物不同部分生物量存在显著相关关系。本项目研究结果表明无论是目前气候条件下还是未来气候变暖条件下秸秆施用方式改变对土壤呼吸均具有显著影响，阐明了土壤呼吸的变异受微生物群落α多样性、微生物量，作物生长影响，具有重要科学意义。