不同秸秆激发式还田对红壤团聚体中有机碳库组成的调控机制研究

Red soil (Oxisols) is deficient in soil organic matter. Incorporation of straw is an important management to increase soil organic carbon (SOC), but it is low in efficiency. Using labile carbon with low C/N (like pig manure) as primers can significantly increase SOC. In order to investigate the biochemical mechanism behind it, we propose to use the organic amendment field experiment with equal amount of carbon input in Yingtan Red Soil Ecological Experiment Station. There are four treatments: corn straw input, corn straw and manure (9:1) input, rice straw input, and rice straw and manure (9:1) input. Solid 13C-NMR, GC-MS and microbial ecology research methods, including amino sugar, Illumina sequencing, and qPCR, are combined to study the effect of straw returning with pig manure as primers on the size and composition of soil organic carbon pool in aggregates. The aims of this study are: 1) to investigate the effect of different straw returning with pig manure as primers on the size and composition of organic carbon pool, the changes of microbial community structure and microbial derived carbon, and chemical structure and composition of SOC; 2) to compare the contribution of microbial derive carbon and plant derived recalcitrant carbon to soil carbon pool; 3) to reveal the biochemical mechanism of the effect of straw returning with pig manure as primers on the size and composition of soil organic carbon pool. This can provide a fundamental understanding for improving straw returning management in red soil.

红壤旱地中有机碳匮乏，秸秆还田是提升土壤有机碳的重要措施，但秸秆还田提高土壤有机碳效率低。与之相比，添加低碳氮比的有机物料激发式秸秆还田可以高效增加土壤有机碳库。但是其机理尚不明确。申请人拟以中国科学院红壤生态实验站设置的等碳量有机肥长效试验为研究平台，选择其中四个处理开展试验：玉米秸秆还田、玉米秸秆猪粪9:1激发式还田、水稻秸秆还田和水稻秸秆猪粪9:1激发式还田。结合核磁共振、气相色谱-质谱和微生物生态学方法（氨基糖、高通量测序、qPCR），在团聚体尺度上，1）研究不同秸秆激发式还田对有机碳库库容和组成、微生物群落结构和微生物截获碳含量、以及有机碳化学结构和组成（特别是难分解碳组分）的影响；2）对比分析不同秸秆激发式还田下微生物截获碳和植物残体中难分解碳对提高土壤碳库贡献的差异；3）揭示秸秆激发式还田对土壤有机碳库组成的调控机制。本研究希冀为提出适合红壤区秸秆还田调控措施提供理论基础。

红壤旱地中有机碳匮乏，秸秆还田是提升土壤有机碳的重要措施。不同秸秆还田模式对有机碳在土壤和团聚体中固持和转化的影响不同，但是其机理尚不明确。本项目依托中国科学院红壤生态实验站，以不同秸秆还田模式下有机碳循环为研究对象，结合核磁共振、气相色谱-质谱和微生物生态学方法，分析了不同秸秆还田模式对有机碳库库容和组成、微生物群落结构、以及有机碳化学结构和组成（特别是难分解碳组分）的影响，揭示秸秆还田模式影响土壤有机碳在土壤和团聚体中固持和转化的微生物学机制。研究结果表明，1）激发式秸秆还田促进了大团聚体的形成，提高了有机碳在大团聚体中的分布，但秸秆还田模式并未改变惰性碳库在土壤总碳库中所占比例。2）秸秆还田改变了有机碳转化的微生物机制。首先，秸秆还田模式通过促进细菌网络的正负连线比和真菌群落组成促进土壤碳矿化。其次，不同C/N有机物料还田下，影响有机碳矿化的主导因子不同。低C/N有机物料还田，SOC化学组成对SOC矿化的贡献率最大；而高C/N有机物料还田，真菌群落组成和真菌关键物种对SOC矿化的影响最大。此外，在秸秆还田模式下不同团聚体中有机碳转化的微生物机制也有差异，在大团聚体中正负连线比起主导作用，在小团聚体中细菌群落组成起主导作用。3）秸秆还田改变了有机碳在土壤团聚体中的固持途径。无秸秆还田时，SOC的固持机制是有机碳从大团聚体向小团聚体中富集，伴随着小团聚体对木质素等难分解物质的物理保护。在秸秆还田的情况下，SOC的固持机制是有机碳从小团聚体像大团聚体，伴随着腐殖化程度高的产物富集在大团聚体中。4）通过秸秆长期腐解试验验证了有机碳矿化的“微生物双重控制理论”，阐明在秸秆腐解前期，胞外酶的体外修饰起主导作用，在秸秆腐解后期，微生物的体内同化起主导作用。本研究为提出适合红壤区秸秆还田调控措施提供理论基础。