地膜覆盖与施肥条件下秸秆碳在土壤团聚体中赋存的微生物学机制

Mulching with plastic film and fertilization change the community structure and metabolic characteristics of soil microorganism, which would affect the turnover of added residue carbon (C) and the composition of soil aggregates. However, the distributed components of the residual C in soil aggregates and the corresponding mechanisms mediated by soil microorganism have been little known. Based on long-term experiment on Brown Earth, an in-situ incubation experiment will be conducted and the aims are: (1) to study the distribution of residue C in soil aggregates under mulching with plastic film and fertilization by 13C trace method, and to explore the dynamics of residue C in soil aggregates and the fractions of soil organic carbon (SOC); (2) to investigate the response of microbial community structure in soil and aggregates to the combination of plastic film mulching and fertilization at different stages; (3) to reveal the mechanisms of microbial effecting on the dynamics of residue C in soil aggregates under plastic film covering and fertilization by using 13C-DNA-SIP method and structural equation model. These results would provide theoretical bases for illuminating the mechanisms of soil organic C sequestration at aggregate scales and for improving soil structure and fertility.

地膜覆盖与施肥改变土壤微生物的种群结构和代谢过程，从而影响新加入秸秆碳的周转及土壤团聚体的组成。然而对土壤中秸秆碳在团聚体中赋存状态以及微生物种群的作用机制尚不清楚。本项目以棕壤长期覆膜与施肥定位实验基地为平台，通过田间原位试验，重点开展以下研究：（1）利用13C示踪技术，明确地膜覆盖与施肥条件下秸秆碳在土壤团聚体中的赋存状况，探讨秸秆碳在土壤团聚体及有机碳组分中的变化规律；（2）以高通量测序为技术手段，研究不同时期土壤及团聚体中微生物群落结构对地膜覆盖与施肥的响应，探讨添加秸秆后土壤及团聚体中微生物种群的差异及其变化规律；（3）利用13C-DNA-SIP技术和高通量测序手段，并借助结构方程模型等数学方法，明确地膜覆盖与施肥条件下微生物对秸秆碳在团聚体中赋存的影响机制。研究结果为阐明东北旱田土壤固碳机理、结构改善和肥力提升提供理论依据。

本项目依托农业部公主岭黑土生态环境重点野外科学观测试验站（始于1990年），利用13C 标记的玉米秸秆为碳源，通过田间原位培养试验，研究了地膜覆盖与施肥条件下秸秆碳在土壤团聚体赋存的微生物学机制。结果表明：（1）覆膜条件下土壤有机碳中秸秆碳含量显著高于裸地，尤其在第60天覆膜处理是裸地处理的1–3倍，说明覆膜改善了土壤的水热条件，促进了秸秆碳在土壤中的积累。（2）覆膜土壤可溶性有机碳中秸秆来源碳的含量低于裸地土壤。覆膜土壤颗粒有机碳中秸秆来源碳的含量高于裸地土壤（除第1 天）。覆膜促进秸秆碳分解，使其以颗粒有机质的形式在土壤中固持。（3）在培养末期，秸秆碳在大团聚体中的相对分布（9.4-16%）减少，但微团聚体中（21-31%）有所增加。秸秆碳会更多的在较小粒级的团聚体中积累。（4）覆膜MNPK与裸地处理相比大团聚体中秸秆来源碳的含量显著降低35.58%，大团聚体中原土壤有机碳的含量提高9.16%。有机肥配施化肥结合覆膜加快了各粒级团聚体中秸秆来源碳的损失，也促进大团聚体中原土壤有机碳积累。（5）加入秸秆后的有机肥配施化肥处理促进了细菌残体物质的续埋，使得微生物残体碳含量相较于不加秸秆处理增加了3.70%。覆膜后的有机肥配施化肥处理使得细菌残体碳含量增加了21.55%，地膜覆盖能够增加微生物残体碳在土壤有机碳中的贡献。（6）添加秸秆后各处理细菌网络边数平均减少47%，说明细菌网络复杂性降低，但在施用无机肥和有机肥配施化肥处理中真菌网络边数平均增加2倍，说明在施肥的处理中真菌网络的复杂性增加。细菌和真菌关键微生物种群活性在不同施肥处理中表现不同。（7）在各处理中添加秸秆后细菌和真菌的微团聚体的网络边数平均高于大团聚体45%，说明微团聚体网络更复杂。关键微生物种群活性随团聚体粒级变化而各不相同，说明土壤微生物的群落组成在不同粒级团聚体中有差异，且受施肥管理措施的影响。