玉米根茎叶残体碳在土壤中的周转特征及其微生物作用机理

Due to the differences in the carbon (C) components among the maize residues (root, stem and leaf), their returns to the cropland soil will cause the differences in the process of soil organic carbon (SOC) fractions’ turnover on the contribution, fate and soil microbes utilization. However, the current understanding for these problems is still limited. Therefore, this study will carry on an in-situ experiment at a brown earth long-term experiment station in Northeast China using the materials of 13C-labeled root, stem and leaf of maize and the stable C isotope-microbial biomarker technology: (1) to investigate the characteristics of residual C transformation and distribution of different maize residues (root, stem, leaf) in the process of SOC fractions’ turnover by periodically determining the contents of total organic C, water soluble organic C, microbial biomass C, particulate organic C and their 13C values in soil; (2) to examine the mineralization properties and priming effects of these residual C via monitoring the released CO2 content and its 13C variation from soil; (3) to explore the features of different maize residues utilized by soil microbes through periodically determining soil phospholipid fatty acid (PLFA) and its 13C variation in soil. Meanwhile, the microbial regulation mechanisms in the process of SOC turnover of root, stem and leaf of maize will be elucidated through establishing the relationships between microbial community structure and SOC fractions with the multivariate statistical method. The results obtained from this experiment will provide theoretical supports to enrich the mechanisms of SOC turnover after the crop residue returning to soil.

玉米根茎叶残体因含碳化学组分不同，还田后会引起残体碳在土壤有机碳组分周转过程中的贡献、去向及微生物利用的差异，然而目前对这些差异特征的认识尚不清楚。因此本研究拟利用13C标记的玉米根茎叶为试材，应用稳定同位素-生物标识物探测技术，依托东北棕壤长期定位试验站开展原位试验。（1）通过定期测定土壤中总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和颗粒有机碳等组分含量及13C变化，明确玉米不同残体碳在土壤有机碳组分中的赋存与转化的差异特征；（2）通过定期监测CO2含量及CO2-13C变化，明确这些残体碳在土壤中的矿化特征及激发效应的差异性；（3）通过定期测定土壤磷脂脂肪酸（PLFA）含量及PLFA-13C变化、利用多元统计方法构建微生物群落结构与土壤有机碳周转的关系，明确不同残体碳被微生物利用的差异特征，阐明其在土壤有机碳组分周转过程中的微生物作用机理。研究结果为丰富秸秆还田后土壤碳周转机理研究提供理论依据。

背景及内容：玉米根茎叶残体因含碳化学组分不同，还田后会引起残体碳在土壤有机碳组分周转过程中的贡献、去向及微生物利用的差异。本研究利用13C标记玉米根茎叶为试材，应用稳定同位素-生物标识物探测技术，依托长期定位试验站开展原位试验。（1）通过测定土壤总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和颗粒有机碳等组分含量及13C变化，明确不同残体碳在土壤有机碳组分中的赋存与转化差异特征；（2）通过监测CO2含量及CO2-13C变化，明确残体碳在土壤中矿化特征及激发效应；（3）通过测定土壤磷脂脂肪酸含量及13C变化，构建微生物群落结构与土壤有机碳周转的关系，明确不同残体碳被微生物利用的差异特征，阐明其在土壤有机碳组分周转过程中的微生物作用机理。.研究结果：①培养期内，低肥土壤TOC表现为叶>根>茎，而高肥表现为根>叶>茎。两种肥力土壤δ13C均表现为叶>茎>根。②秸秆碳对POC贡献率为根>茎>叶。其中低肥土壤根茎叶贡献率分别为28.07%、24.51%、21.13%，高肥贡献率分别为13.34%、13.23%、11.13%。③DOC主要以原土壤有机碳为主，低肥土壤叶贡献率＞茎＞根，高肥茎贡献率>根>叶。④秸秆碳增加高低肥MBC含量，表现为茎>根>叶。⑤秸秆碳增加总PLFA以及各类群生物量，表现为革兰氏阳性菌＞革兰氏阴性菌＞普通直链细菌＞放线菌＞真菌＞AMF＞厌氧菌，高肥土壤总体高于低肥，表现出高肥根处理最高而低肥茎处理最高。秸秆13C表现出革兰氏阳性菌＞普通直链细菌＞革兰氏阴性菌＞真菌＞放线菌。培养前期低肥土壤利用残体碳高于高肥，而培养后期则相反。⑥根茎叶导致低肥土壤CO2-C排放累积量分别增加137%、163%和133%，高肥分别增加156%、159%和87%；根茎激发效应显著强于叶。⑦60d前后残体碳在有机碳组分分配表现从DOC＞POC＞MBC转变为DOC＞MBC＞POC。PLFA-13C与MBC-13C比值表明20d以后土壤PLFA开始更多利用秸秆碳，其中低肥土壤180d前后由利用叶为主转为茎为主，高肥20d前后由利用根为主转为茎为主。研究结果为丰富秸秆还田后土壤碳周转机理研究提供理论依据。.产出：共发表基金署名论文7篇，其中SCI收录2篇（中科院分区二区），中文核心5篇，授权实用新型专利2项，获得省部级科技进步一等奖1项，培养硕士5人，1人入选沈阳市领军人才。