玉米残体在棕壤中的激发效应、赋存形态及其供氮能力

Crop residue return to soil is an important strategy to keep and enhance organic matter level and to improve soil structure in Northeast China. While there is a lack of systematic researches on the transformation and distribution of the different decomposed components in soil and aggregates and the capability of supplying nitrogen after the maize residues (root, stalk and leaf) have been separately added to the typical dryland soil. Based on a long-term experiment site, this project will focus on brown earth to investigate the effect and role of maize residues addition to soil using the methods of 13C15N dual labeling and biomarker. (1) An incubation experiment will be conducted to analyze the CO2 emission and differentiate its source by 13C trace, to explore the priming effect of the addition of residue on soil organic carbon. (2) An in-situ experiment will be conducted to determine the key components of organic carbon and nitrogen (such as lignin, amino acid, and amino sugar) and analyze the changes of 13C and 15N in these components in soil and aggregates after the maize residues addition, to reveal the distribution of residue-derived C and N and these organic compounds in different soil aggregates. (3) In the in-situ experiment, this project will also analyze the 15N and total N contents in the next-stubble maize root, stalk, leaf, and seed after harvest, to evaluate the availability and supplying capability of nitrogen from the added residues. The results will provide bases for promotion of soil organic matter and improvement of soil structure in dryland soil of Northeast China.

秸秆还田是维持和提高东北地区土壤有机质及改善土壤结构的重要措施。然而，旱田土壤新加入玉米残体（根、茎、叶）如何影响土壤有机碳氮转化、分解产物的赋存形态及其供氮能力尚缺乏系统研究。本项目以棕壤为对象，以长期定位试验基地为平台，采用碳氮同位素（13C+15N）双标记和生物标示物等技术，对玉米残体添加后的行为及作用进行研究。1）利用室内培养，监测玉米残体添加后土壤CO2的排放，通过13C区分其来源，明确不同玉米残体的矿化特征及其对土壤碳的激发效应；2）利用田间原位实验，对添加双标记残体的土壤及团聚体中有机质关键组分（木质素、氨基糖、氨基酸等）进行检测，并根据其中13C15N同位素丰度变化，明确外源碳氮及这些化合物在不同团聚体中的分布特征；3）通过分析后茬玉米根、茎、叶、籽粒及土壤中15N含量，明确玉米残体在棕壤中的供氮能力和有效性。研究结果将为东北旱田土壤有机质提升与结构改善提供依据。

研究背景及内容。秸秆还田是维持和提高东北地区土壤有机质及改善土壤结构的重要措施，但旱田土壤新加入玉米残体（根、茎、叶）如何影响土壤有机碳氮转化、分解产物的赋存形态及其供氮能力尚缺乏系统研究。该项目以棕壤长期定位试验基地为平台，采用碳氮同位素（13C+15N）双标记和生物标示物等技术，开展以下研究：①利用室内培养试验研究不同玉米残体的矿化特征及其对土壤碳的激发效应；②利用田间原位试验研究双标记玉米残体碳氮及这些化合物在不同团聚体中的分布特征；③利用田间原位试验研究玉米残体氮（根、茎、叶）供氮能力和生物有效性。.重要结果及关键数据。①玉米根茎叶源碳的矿化率在低肥力棕壤中为63.0% -67.4%，在高肥力中为54.2%-61.7%，并显著促进土壤有机碳的矿化，明确了肥力水平和培养温度对棕壤有机碳具有明显的激发效应。②玉米残体添加增加了土壤中>2 mm和2~1 mm团聚体有机碳的贡献率，其中低肥力土壤平均增加38.52%，高肥力土壤平均增加16.67%；高肥力添加茎叶土壤中>2 mm和2~1 mm团聚体有机碳的贡献率高于添加根茬处理；添加玉米残体增加了真菌磷脂脂肪酸所占比例，而降低了革兰氏阳性菌磷脂脂肪酸的比例；土壤肥力和玉米残体类型显著影响玉米残体碳对微生物磷脂脂肪酸碳库的贡献。③玉米残体氮对高肥力土壤总氮的贡献明显低于低肥力土壤（2.0% vs. 3.6%）,但回收率较高（23.5% vs.12.8%）。高肥力土壤中秸秆比根系更能增加植株中氮的利用率。低肥力土壤中残体残留氮和氮的回收率为60.7–108.5% 和9.6–25.8%，高于高肥力土壤。总残留氮的回收率差异不大，高肥力土壤能增加残留氮的利用率，尤其是秸秆中的氮；低肥力土壤更能促进残体氮在土壤中残留，尤其是根系氮。土壤肥力水平和残体类型可以显著影响土壤-植物系统中玉米残体氮的分配。这些研究结果将为东北旱田土壤有机质提升与结构改善提供依据。.发表论文与人才培养。共发表基金署名论文21篇，其中SCI收录9篇（中科院分类一区6篇，二区3篇，累计影响因子37.5），中文核心论文10篇，编写专著1本；培养博士6名、硕士5名。