长期施肥下养分有效性变化对土壤有机碳矿化激发效应的影响及机理

Priming effect (PE) is defined as the changes in soil organic matter mineralization after the inputs of exogenous substrate. PE could affect soil carbon (C) sequestration, thus has become an important research topic of soil C cycle. It is known that nutrient availability is an important influencing factor of PE, but some studies found the effect of nutrient availability on PE varied with soil C content and the underlying mechanisms are still not well understood. This project will investigate the effect of long-term fertilization (35-year) on the PE of soil organic matter mineralization in Fluvo-aquic soils. 13C stable isotope technique will be used to trace the fate of substrate-C, and molecular techniques will be used to study changes of soil microbial community and soil enzyme activity to explore the underlying mechanisms of PE. This project will reveal how different types of long-term fertilization may influence soil organic matter mineralization. The mechanistic understanding of nutrient availability controls on PE will improve our ability to predict and model soil C cycling, and will be helpful to find more reasonable management practices for soil C sequestration in farmland.

激发效应是指外源底物添加后土壤原有有机质周转的变化，它影响着土壤的碳固持，是土壤碳循环研究的重点之一。养分有效性是激发效应的重要影响因子，但影响的方向和强度往往因土壤碳含量而异，影响机制尚不明确。本项目以定位施肥35年的典型潮土为研究对象，运用13C稳定性同位素示踪技术，结合土壤微生物群落和胞外酶活性研究，揭示长期不同施肥处理对土壤有机碳矿化激发效应的影响，探讨养分有效性对激发效应影响的机理。项目的实施能为更准确的估算模拟土壤碳循环、寻求更合理的农田土壤碳库调控管理措施提供理论依据和数据支持。

由施肥引起的土壤养分状况差异是影响土壤有机碳矿化激发效应方向和强度的重要因素，但其内在机制尚不明确。为探讨不同施肥对土壤有机碳矿化激发效应影响的机理，本项目以定位施肥35年的典型潮土为研究对象，开展了以下三个方面的研究：（1）长期不同施肥对土壤有机碳组分的影响；（2）长期不同施肥条件下土壤微生物群落多样性和功能多样性的变化；（3）外源13C秸秆添加条件下不同施肥处理对土壤有机碳矿化特征、激发效应及胞外酶活性的影响。研究结果表明：（1）施肥能显著提高土壤易氧化有机碳、颗粒有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MOC）的含量，MNPK处理提高效果最显著；施有机肥处理的POC含量比不施有机肥处理平均增加92.69%；施有机肥条件下，所增加的总有机碳在MOC的分配率明显提高，MNPK处理所增加的总有机碳可1:1进入POC和MOC组分。（2）PLFA分析表明，长期施用有机肥使土壤真菌细菌比显著降低，使细菌群落中的革兰氏阳性菌丰度明显增加；施用化肥显著降低了革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌之比。Biolog分析表明，施有机肥处理土壤AWCD值比不施有机肥处理平均高18.50%；不施有机肥条件下施化肥增加土壤微生物对不同碳源的利用能力和物种丰富度，但施有机肥条件下施化肥降低微生物对碳源的利用能力。（3）不加秸秆条件下，施有机肥处理240-d累积矿化量比不施有机肥处理平均高48.64%，化肥不同施用模式整体表现为NPK > NP > N >CK。对比添加和不加秸秆，不施有机肥处理240-d累积矿化量较施有机肥处理增幅大，240-d平均相对激发比施有机肥处理平均高9.11%；添加秸秆和施用有机肥处理的β-葡糖苷酶、纤维二糖水解酶、木聚糖酶活性高于不加秸秆和不施有机肥处理。施用有机肥对提升土壤碳组分含量、影响微生物群落结构和促进微生物功能多样性的作用较化肥明显，但外源秸秆添加条件下不施有机肥处理的有机碳矿化量增幅更大、激发效应更强，可能与微生物对养分的需求更大有关。本项目研究结果对于全面理解激发效应内在机制、指导农田土壤碳库调控管理具有重要意义。