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文献解读|基于有机质组成和数量变化探究不同管理措施对土壤中持久性碳的影响

日期: 2023-05-25
标签:

     

原名:Persistent soil carbon enhanced in Mollisols by well-managed grasslands but not annual grain or dairy forage cropping systems

译名:管理良好的草地而不是一年生谷物或饲草种植系统增加了黑沃土中的持久性碳

期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences

IF:12.779

发表时间:2022.2

第一作者:芮亦超

文献解读|基于有机质组成和数量变化探究不同管理措施对土壤中持久性碳的影响
摘要

在草地上进行的集约化作物生产已经向大气释放了大量的碳(C)。无论是最大限度地减少土壤扰动、多样化的作物轮作、或重建多年生草原和整合牲畜是否可以减缓或扭转这一趋势仍然是高度不确定的。本研究在美国中北部通过田间试验调查了有机碳的积累、以及颗粒(POM)和矿物相关(MAOM)有机质的分布,并评估了微生物性状与这些变化的关系。


结果表明,将豆科植物或粪肥添加到一年生种植系统中提高乐POM-C、微生物生物量和微生物碳利用效率,但没有显著增加微生物残体积累,以及MAOM-C或总SOC的存储。多样化、循环放牧的牧场管理有可能增加土壤中持久性碳,突出了管理良好的草原在智能型农业中的关键作用。

文献解读|基于有机质组成和数量变化探究不同管理措施对土壤中持久性碳的影响
研究背景

过去150年,现代农业耗尽了世界上许多耕地的土壤有机碳 (SOC) 。在农业土壤中建立土壤有机质 (SOM) 对于我们抵抗这种趋势并满足我们的需求至关重要。来自草地的黑沃土覆盖地球表面约9.16亿公顷,是北美、南美和欧亚大陆的农业中心地带。自开始种植以来,这些黑沃土已释放了约2Pg C。增强黑沃土中的SOM不仅可以抵消全球温室气体排放的一部分,而且还可以改善土壤健康,这是粮食生产、饮用水和生物多样性等重要生态系统服务的基础。


模拟和概念建模表明,黑沃土的SOM积累潜力巨大,但这些土壤的集约化农业使用是否可以积累碳(C),并保持它相对较长的时间仍然存在不确定性。SOM由形成、持久性和功能不同的组分组成。减少耕作、多样化作物轮作以及添加豆类和粪肥被认为是在农田中再生SOM的有希望的策略。但研究表明尽管它们似乎增加了相对未分解的颗粒有机物(POM)部分,这与改善土壤健康直接相关,但它们在建立更持久的矿物相关有机物(MAOM)和提高软土中总碳储量和持久性的能力一直存在争议。


越来越多的证据表明,MAOM主要是微生物残体与矿物表面结合形成的,因此促进有效微生物生长和大量坏死物质产生用于有机矿物结合能够驱动土壤中持久碳的积累。基于此,本研究在威斯康星州综合种植系统开展试验,探究不同管理条件下土壤有机质的数量和组成及其与土壤微生物性状的关系。

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研究方案

威斯康星州综合种植系统由六个并列的常规和替代种植系统组成,其中包括三个谷物系统:1)连续单一栽培玉米(Maize)系统,每年耕作,2)免耕玉米-大豆(MS)轮作,3)有机管理的玉米-大豆-小麦(MSW)轮作,其在小麦之后具有豆类作物覆盖。和三种饲草系统:4)玉米-苜蓿-苜蓿-苜蓿(MAAA)轮作,5)有机玉米-燕麦/苜蓿/苜蓿(MOA)轮作,和6)具有混合豆类与禾草的多样化、轮牧的牧场。

 

文献解读|基于有机质组成和数量变化探究不同管理措施对土壤中持久性碳的影响



对不同系统有机质组分(POM、MAOM),微生物生物量与CUE特征,微生物残体,以及土壤胞外酶测定,探究不同管理措施对持久碳积累的影响

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研究结果

一、管理良好的牧场土壤总碳和与矿物质相关的碳含量最高


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1.(1)减少耕作、轮作多样化或在这些土地添加豆类或肥料不太可能建立 MAOM-C 和 SOC,而土地管理为牧场有能力做到这一点。

2)与MaizeMSMSW MAAA 相比,牧场中的 SOC 储量提高了15% 28%MAOM-C 比所有其它系统高 18% 29%。

(3)MaizeMSPOM-C\MAOM-CSOC没有差异。与MaizeMS相比,基于苜蓿的系统(MOA MAAA)中的POM-CN显著更高,并且在牧场中最高。



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2.(1)Maize和MS的POM-C\MAOM-C或SOC没有差异。与Maize和MS相比,基于苜蓿的系统(MOA 和 MAAA)中的POM-C和N显著更高,并且在牧场中最高。

2)基于苜蓿的系统POMC:N ratio显著低于MaizeMS。

(3)有机谷物系统(MSW)具有豆科覆盖作物和肥料添加,但总和地下C输入较少,也具有比Maize和MS更高的POM-C和N以 及更低的 POM C:N 比。


二、在一年生作物系统中掺入豆类和肥料可增强微生物的生长,但不能增加微生物残体或MAOM


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1.牧场仅脂肪族C-H官能团显著高于其它系统,芳香族和 C-O 官能团在牧场最低。除牧场外,其它系统四种官能团均无显著差异。


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2.Maize和MS在CUE、MBC或氨基糖含量(微生物坏死物质的生物标志物)方面没有差异。与基于谷物的系统相比,基于苜蓿的系统具有更高的微生物CUE和MBC,但没有更高的微生物坏死物质积累。


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3.与MAOM-C的趋势相似,微生物残体生物标志物(氨基糖)的含量在牧场中最高,但在其他系统中没有显著差异。


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4.微生物残体与脂肪族碳是MAOM-C主要贡献者。CUE和POM C:N之间存在负相关关系,表明使用C底物的微生物生理潜力受输入的C:N比率调节。


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分段结构方程模型显示,MAOM-C与土壤中积累的微生物残体数量直接相关,但与微生物生物量或CUE无关,表明添加低C:N豆科植物和粪肥增强微生物CUE可能并不总是导致微生物坏死物质或 MAOM-C 的积累增加。


三、在管理良好的牧场中,MAOM的形成比一年生作物系统更有效,矿化较慢

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MSW和MOA中较高的PPO活性和 MOA中较高的PER活性表明在这些低施肥系统中SOM分解比高施肥系统和牧场更快,这表明微生物在这些系统中,坏死物质或MAOM 可能会快速矿化,牧场多酚氧化酶与过氧化物酶活性与其它系统相比较低

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结论

黑沃土的一年生谷物或半年草料系统中实施免耕、轮作、豆类和肥料添加可能会改善土壤健康,但不太可能使其表土(0 至 30 cm)实现大气碳汇。

结合低C:N输入可能会增强POM和微生物C循环,但不会导致微生物坏死和MAOM-C增加,这可能是因为更高的SOM矿化。

除了减少侵蚀和养分流失、增加渗透和储水以及增强生物多样性外,管理良好的多年生放牧草地有可能在黑沃土中形成持久的土壤碳,使其成为智能型农业的重要组成部分。

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