轮耕促进农田土壤碳库“源-汇”转换的生物化学固碳机制研究

Soil tillage is an important factors to drive update and turnover of soil organic carbon (SOC) in agroecosystem. Our previous studies have found that, the SOC pool was converted from carbon (C) loss (C-source) under rotary tillage (RT) to C sequestration (C-sink) under rotary tillage combination with subsoiling (RT-DT) during the 6 years tillage experiment. Also, we have further demonstrated there had significant differences in the proportion, stability, associated-C and distribution mechanism of new-C in soil aggregate fractions under two tillage methods according to study on the “Aggregate-Carbon” physical protection mechanism and 13C isotope abundance difference of soil carbon sequestration. However, few information on the mechanisms of chemical protection and biological stability for SOC sequestration during this change in “Source-Sink” of C situation. Therefore, to understand the chemical protection and “Aggregate-Carbon-Microbe” function of SOC sequestration under RT and RT-DT methods, we will focus on the difference mechanisms of chemical protection and biological stability for SOC sequestration continuely base on the previous study, using fluorescence spectra, metagenome in soils and microbial diversity sequencing methods. The results in these differences for SOC sequestration mechanisms could explain the causes of C situation changes in different tillage systems, it also would offer a new idea to improve potential for SOC sequestration under rotational tillage system such the RT-DT method.

土壤耕作是有机碳更新周转的主要驱动因素之一。我们前期研究发现，将长期旋耕农田转变为旋耕-深松隔年轮耕模式6年，其土壤碳库由净损耗（碳源）转变为净固定（碳汇），通过“团聚体-有机碳”物理保护机制和13C同位素示踪外源新碳转化分配机制我们进一步揭示了长期旋耕和旋耕-深松隔年轮耕2种模式下土壤团聚体分布及稳定性、团聚体关联碳库、外源新碳在不同微结构体中的转化分配机制等方面具有显著差异，但这种轮耕后土壤碳库“源-汇”转变过程中有机碳化学保护机制和生物固碳机制差异目前尚未深入揭示。本项目以轮耕后土壤碳库“源汇”变化为切入点，以前期物理固碳机制为基础，采用荧光光谱、土壤宏基因组、微生物多样性测序等方法，深入研究旋耕、旋耕-深松隔年轮耕模式下碳库“源-汇”转换的有机碳化学稳定机制、有机碳-团聚体-微生物互作机制，揭示该轮耕模式促进土壤碳库源汇转换的碳固定差异机制，为提高轮耕模式下土壤碳增持潜力提供新思路

华北平原麦玉两熟区长期单一旋耕、浅耕导致耕层土壤紧实化、浅薄化已经成为影响土壤碳库失衡、制约粮食持续高产稳产的新问题。旋耕与深松配合的轮耕模式目前已在华北地区农业生产中逐步推广应用。我们前期研究发现，将长期旋耕转变为旋耕-深松能够显著促进土壤有机碳储量，但其有机碳固持机制尚未明确。本项目通过研究长期旋耕和旋耕-深松模式下土壤有机碳化学稳定机制差异、土壤“团聚体-有机碳-微生物”互作机制等，揭示旋耕和旋耕-深松轮耕模式下土壤碳库不同“源-汇”效应的生物化学固碳机制差异。研究结果表明：与对照RT处理相比，1）旋耕-深松（RT-DT）处理0~30cm土壤铁铝结合态有机碳（Fe(Al)-OC）、钙键结合态有机碳（Ca-OC）含量分别提高8.2~26.2%、5.7~17.0%，且其土壤中游离氧化铁（f-Fe2O3）含量显著提高。相关性分析结果表明，土壤新增固碳量与土壤中f-Fe2O3（P<0.001）、Ca-OC（P<0.05）、Fe(Al)-OC（P<0.01）均呈显著正相关，但与土壤络合态铁（Fepp）含量之间无显著的相关性（P=0.34），且两处理土壤的有机碳化学官能团种类也无显著差异。旋耕-深松通过提高土壤化学结合态有机碳及游离氧化铁含量促进土壤有机碳化学结合和稳定性。2）RT-DT处理显著降低了0~20cm土层的有机碳累积矿化量和累积矿化速率，且其新增固碳量与土壤中较低的活性组分（P<0.05）和多酚氧化酶活性（P<0.05）、较高的淀粉酶活性（P<0.01）有关；适宜的土壤孔隙度（P<0.05）与pH值（P<0.05）显著促进了旋耕-深松土壤中有机碳的积累。同时，旋耕-深松提高了固碳功能菌多样性和菌群优势度，其优势菌主要为生丝微菌属（Hyphomicrobium）、溶杆菌属（Lysobacter）、根瘤菌属（Rhizobium）、乳杆菌属（Lactobacillus）等，旋耕-深松模式促进了土壤中固碳微生物丰度、群落结构、关键酶活性，降低了有机碳活性组分，更有利于有机碳积累和稳定固存，使其土壤碳库产生“碳汇”效应。以上结果对旋耕-深松轮耕后土壤有机碳增持的内在原因提供关键理论基础，为深入了解旋耕-深松下土壤碳库增持机制及麦玉两熟区高强度利用农田选择合理的增碳调控策略提供新思路。