免耕与秸秆还田对稻麦种植系统土壤有机碳库与微生物多样性的影响

发布时间：2020-07-31 20:47

【摘要】：土壤有机碳与土壤的健康和生产力密切相关。以免耕和秸秆还田是提高土壤有机碳含量的有效措施。尽管有研究报道了不同耕作措施与秸秆还田方式对作物产量、土壤有机碳库和微生物多样性的影响,然而,免耕与秸秆还田下土壤有机碳库的微生物驱动机制尚未明确。因此,研究免耕与秸秆还田对土壤有机碳库、温室气体排放和微生物多样性的影响,以及土壤有机碳库的微生物驱动机制,具有重要意义。本研究于2012-2014年在湖北省武穴市大法寺镇的试验基地进行,以我国长江中下游典型的稻麦种植系统为研究对象。大田试验采用裂区试验设计,其中耕作措施(常规翻耕与免耕)为主区,秸秆还田方式(前茬作物秸秆全量还田和秸秆不还田)为副区,共有4个处理,3个重复,共计12个小区,处理分别为:翻耕+秸秆不还田(Conventional intensive tillage with straw removal,CTNS)、翻耕+秸秆还田(Conventional intensive tillage with straw returning,CTS)、免耕+秸秆不还田(No tillage with straw removal,NTNS)与免耕+秸秆还田(No tillage with straw returning,NTS)。经过3年的稻麦种植,主要的试验结果如下:(1)耕作措施与秸秆还田方式显著影响表土层(0~5 cm)土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)、可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)、微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和土壤团聚体SOC。与翻耕相比,免耕处理下土壤SOC、DOC、MBC、2~1 mm和1~0.25 mm土壤团聚体SOC含量分别提高了2.3%~15.5%、8.8%~12.6%、15.1%~39.8%、4.6%~19.9%和13.4%~14.6%。与秸秆不还田相比,秸秆还田提高了SOC、DOC、MBC、2~1 mm和1~0.25 mm土壤团聚体SOC的含量,分别为6.5%~9.5%、13.0%~29.9%、18.1%~33.3%、12.5%~17.4%和6.2%~7.0%。(2)耕作措施与秸秆还田方式显著影响表层土(0~5 cm)CO_2和CH_4的累积排放量,然而对土壤N_2O排放无显著影响。与翻耕相比,免耕处理CO_2排放量和CH_4排放量分别降低7.2%~19.8%和5.8%~19.7%。与秸秆不还田相比,秸秆还田处理CO_2排放量和CH_4排放量分别增加了9.1%~4.1%和18.6%~232.9%。(3)耕作措施与秸秆还田方式显著影响表层土(0~5 cm)土壤微生物群落结构。与翻耕相比,免耕处理土壤细菌的生物量、辛普森指数和香农指数分别提高了45.4%~74.6%、2.3%~3.4%和6.1%~12.2%,然而,免耕处理革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(G~+/G~-)和单不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸(MUFA/STFA)分别降低了12.0%~25.4%和28.2%~42.3%。与秸秆不还田相比,秸秆还田处理的土壤细菌生物量、MUFA/STFA、辛普森指数和香农指数提高了20.6%~58.1%、5.9%~30.0%、3.1%和12.8%,然而秸秆还田处理降低了G~+/G~-9.5%~20.7%。(4)耕作措施与秸秆还田方式显著影响表层土(0~5 cm)土壤微生物功能多样性。与翻耕相比,免耕处理土壤微生物的香农指数、辛普森指数和均匀度指数分别提高了1.9%~7.1%、0.3%~1.3%和1.3%~2.7%。与秸秆不还田相比,秸秆还田处理土壤微生物的香农指数、辛普森指数和均匀度指数分别增加了17.1%~25.5%、12.0%~27.5%、19.6%~33.7%、1.1%~8.8%、0.2%~1.5%和1.3%~3.8%。综上所述,经过3年的稻麦种植,本研究发现免耕与秸秆还田是增加长江中下游稻麦种植系统的土壤有机碳含量的有效途径。耕作措施与秸秆还田方式通过影响细菌群落,改变了2~1 mm土壤团聚体有机碳含量和甲烷排放,从而影响土壤有机碳含量。然而,免耕与秸秆还田下土壤(0~20 cm)有机碳库微生物驱动机制,还需要长期定位试验进一步研究。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S154.3;S153.6
【图文】：

大团聚体,微团聚体,土壤,土壤团聚体

华中农业大学 2018 届博士研究生学位（毕业）论文6图1-1 土壤大团聚体和微团聚体形成模型（Blanco-Canqiu et al 2004）Fig. 1-1 Selected models of macro- and microaggregation of soils1.3.2 土壤团聚体对土壤有机碳的保护机制土壤有机碳在土壤中的固定主要由土壤团聚体所提供的物理、化学和物理-化学保护水平所决定的（Blanco-Canqui and Lal 2004; Six et al 2014），土壤团聚体有机碳的固定机制如图1-2所示。物理保护为土壤大团聚体和土壤微团聚体将土壤有机碳固定在团聚体内部，化学保护则涉及到有机碳颗粒的吸附与将有机物转化为稳定的土

土壤团聚体,有机碳,大团聚体,免耕

华中农业大学 2018 届博士研究生学位（毕业）论文8图1-2 土壤团聚体有机碳的固定机制（Blanco-Canqui and Lal 2004）Fig. 1-2 Pathways of soil organic carbon (SOC) sequestration by aggregates1.3.3 耕作措施与秸秆还田方式对土壤团聚体有机碳的影响耕作措施是影响土壤团聚体稳定性的重要因素，免耕增加土壤有机碳的含量往往与改善了土壤的团聚体稳定性有关（Angers 1998）。一般认为免耕增加了土壤团聚体有机碳含量（Sheehy et al 2015; Guo et al 2015）。免耕可能通过增加了土壤有机碳含量较高的土壤大团聚体含量，并且降低了土壤大团聚体的周转速率（Du et al 2015;Sheehy et al 2015），从而增加土壤体有机碳含量。Messiga等（2011）则指出翻耕的土壤扰动，破坏了土壤的大团聚体，也使得大团聚体中的碳被释放出来，降低了大团聚体的含量。另外，与翻耕相比，免耕促进了土壤中蚯蚓数量的增加，增强土壤的团聚性，并且促进更多的土壤有机碳被固定到大团聚体中（Giannopoulos et al 2010;Sheehy et al 2015）。秸秆还田是增加土壤碳输入的重要措施，主要是通过形成腐殖质与促进土壤大团聚体的形成来实现增加土壤有机碳含量（Liu et al 2014; Zhao et al 2018）。很多研究表明秸秆还田促进了土壤团聚体的形成

模型图,土壤CO2排放,模型,CO2排放

括热带地区森林的采伐等，其中74%的农业系统温室气排放源于发展中国家（Gattinger et al 2014）。Tubiello等（2013）研究表明2010年农业生态系统对全球温室气体排放的贡献为10~12%（图1-3）。人类在25~50年间，土地利用方式的改变导致了向大气排放42~78 Pg C，而农业措施的改进，可以减缓相当于其50~60%的排放。1.4.1 耕作措施与秸秆还田方式对土壤 CO2排放的影响CO2是最重要的温室气体，对全球温室效应贡献率为 76.0%（IPCC 2014）。土壤 CO2排放是陆地生态系统碳循环的重要过程（Schlesinger and Andrews 2000）。农业是 CO2的主要来源，每年对全球气候变化的贡献约 14.0%（Vermeulen et al 2012）。土壤呼吸主要源于三个生物过程：土壤微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸（Rochette and Flanagan 1997），其主要贡献者为土壤微生物与植物根系呼吸（Marhanet al 2015; Zhu et al 2016; Dossou-Yovo et al 2016），其概念模型如图 1-3 所示。很多研究表明免耕降低了土壤 CO2排放（Six et al 2000; Zhu et al 2016）。例如，Zhu 等（2016）发现与翻耕相比

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