秸秆还田驱动的土壤有机质周转过程及其控制机制

Crop straw incorporation is an important measure to maintain and improve the level of soil organic matter (SOM) and then intrinsic soil fertility in arable ecosystems. Decomposition of crop straw will not only be transformed into new SOM, but also stimulate the decomposition of native SOM, driving SOM turnover and altering SOM chemical composition. However because of uncoupled research on SOM formation and decomposition, SOM turnover and the underlying controlling mechanisms remain largely unexplored. This study will apply multiple advanced techniques such as isotopic labelling and probing, and quantitative nuclear magnetic resonance spectroscopy to study crop straw decomposition in two contrasting soils in terms of SOM chemistry, mineralogy and microbial communities through incubation experiments. The objectives of this study are: 1) to separate functional microbial communities utilizing crop straw and soil organic matter to determine regulatory effects of soil microbial communities on formation and decomposition of soil organic matter; 2) to investigate changes in chemical composition of SOM during maize straw decomposition to illustrate the microbial controls over the SOM formation and decomposition processes; 3) to determine the relative effects of initial plant litter quality, SOM chemistry and mineral reactivity on SOM formation and decomposition；4) to disentangle physical, chemical and biological mechanisms in controlling SOM recycling induced by crop straw amendment. The knowledge obtained from this study will have major implications in improving our quantitative understanding of global carbon recycling and its relation to climate change and in optimizing crop straw incorporation techniques.

秸秆还田是保持和提高农田土壤有机质水平和土壤地力的重要手段。秸秆分解既形成新土壤有机质又促进原有土壤有机质分解，驱动土壤有机质周转并改变土壤有机质化学组成。由于土壤有机质形成和分解过程研究的长期分割，人们对秸秆还田促进土壤有机质周转的过程及其控制机制的认识非常有限。通过12C和13C同位素富标玉米秸秆添加到土壤有机质化学组成不同的两种土壤进行室内培养，结合定量核磁共振和13C探针等技术，本项目的研究目标为：1）区分分解秸秆和土壤有机质的功能微生物群落，阐明秸秆转化为土壤有机质和产生激发效应的微生物过程。2）区分土壤有机质分解和形成过程，揭示秸秆添加量和分解产物控制土壤有机质周转速率的微生物机制。3）明确秸秆还田土壤有机质周转的生物化学和物理保护机制的相对作用。4）明确秸秆还田驱动土壤有机质周转和提升的多种因素的调控作用。对定量研究全球碳循环及其对气候变化的响应，优化秸秆还田技术有重要意义。

秸秆还田是保持和提高农田土壤有机质水平和土壤地力的重要手段。秸秆分解既形成新土 壤有机质又促进原有土壤有机质分解，驱动土壤有机质周转并改变土壤有机质化学组成。由于土壤有机质形成和分解过程研究的长期分割，人们对秸秆还田促进土壤有机质周转的过程及其控制机制的认识非常有限。通过12C和13C同位素富标玉米秸秆添加到土壤有机质化学组成不同的两种土壤进行室内培养，结合定量核磁共振和13C探针等技术，本项目的研究目标为：1）区分分解秸秆和土壤有机质的功能微生物群落，阐明秸秆转化为土壤有机质和产生激发效应的微生物过程。2）区分土壤有机质分解和形成过程，揭示秸秆添加量和分解产物控制土壤有机质周转速率的微生物机制。3）明确秸秆还田土壤有机质周转的生物化学和物理保护机制的相对作用。4）明确秸秆还田驱动土壤有机质周转和提升的多种因素的调控作用。由于制备高丰度12C/13C秸秆耗费了太长的时间，该实验推迟了2年才进行，培育实验又用了1年。所有这个这个实验的结果正在按照实验设计完成。各种数据陆续出来。初步结果表面我们的土壤有机质的化学结构的相对丰度控制其分解特征的假说，DNA-SIP的初步说明微生物接续分解过程及土壤类型只允许真菌分解过程,影响秸秆分解产物的化学结构。在此期间，我们增加了三个实验，一个田间联网实验秸秆与土壤接触加速秸秆分解转化为稳定的土壤有机质，秸秆残留量无区域差异（STLL 197 (2020) 104519）；秸秆混土影响土壤团聚体稳定性和微生物多样性（投稿论文1篇），另外两个室内模拟实验研究了秸秆分解过程的物理保护机制调整作用，首次用物理保护机制解释激发效应动态（SBB 151(2020)108039）。首次报到土壤粘土矿物类型控制有机无机过程和团聚体形成过程的次序进而影响土壤有机质的化学组成和形成效率（Geoderma 412 (2022)115727)。研究结果从有机物的物理保护角度开拓了对土壤有机质形成过程及其调控机制的新认识，加深了对东北黑土区秸秆覆盖和翻混还田技术效果的地区差异的认识。