土壤团聚体及颗粒组微生物在轮耕农田固碳效应中的作用机制

Under the background of farmland productivity decline, in view of the practical need of agricultural production to solve the top layer of soil carbon sequestration and increase crop productivity problem, think in terms of physical and chemical soil aggregate and the role of microorganisms in the carbon conversion mechanism, is the key to explore reasonable farmland ecosystem carbon management link. This project in long-term conservation tillage farmland deep loosening as the main measures of rotation control, using synchrotron radiation micro CT scanning and soil aggregate structure, analysis of the graded aggregate structure stability of the structure change of organic carbon and its components of physical protection. Develop aggregate particles by adding 13C - CO2 group test, combined with 16s rRNA sequencing and metagenomic analysis of the related advantage bacterium group of carbon conversion and function associated gene biochemical interaction strength. Crop productivity response to the transformation of soil carbon, clarify rotation farmland carbon sequestration effect, the graded aggregate microstructure and related mechanism of microbial community structure change and its mechanism in the course of forming production. The research results will provide rotation mode carbon efficient utilization and the theoretical basis for scientific farming fertilizer, to enrich theory research on conservation tillage system, to provide scientific basis for promoting the sustainable development of agriculture.

在耕地地力下降背景下，针对农业生产切实需要解决的土壤耕层固碳和增加作物生产力问题，从理化角度考虑土壤团聚体和微生物在固碳效应中的作用机制，是探寻农田生态系统合理碳管理的关键环节。本项目在长期定位保护性耕作农田实施以深松为主要措施的轮耕调控，运用同步辐射微 CT扫描土体和团聚体三维结构，分析团聚体关联碳库变化，解析团聚体微结构对有机碳的物理保护作用；通过13C-CO2添加培养团聚体颗粒组试验，结合16S rRNA 测序和宏基因组分析碳转化的相关优势菌群和功能关联基因的生化作用强度；探索作物生产力对土壤碳转化的响应，阐明轮耕农田各粒级土壤团聚体微结构、功能微生物和功能基因与固碳效应的关联机制。研究结果将为轮耕模式下碳高效利用及科学耕作培肥奠定理论基础，丰富保护性耕作研究理论体系，为促进农业的可持续发展提供科学依据。

本项目充分利用长期定位试验点的优势，在前期研究中发现常年旋耕、免耕对于土壤团聚体的保护以及表层土壤有机质的固定具有优势，但是未能改变土壤紧实和耕层变浅的问题；相比之下，深松增加耕层厚度、降低耕层土壤容重，最终使得作物产量最高。.分析土壤大孔隙结构特征的相关参数，发现深松处理大孔隙和大孔隙面积变化相似，随土层深度的增加而减小，且不同土层间差异显著。旋耕土壤表层(0~10cm)大孔隙度和大孔隙面积分别为25.20%和403.20mm2，高于深松 (23.36%和373.76mm2)。旋耕的表面大孔隙和总大孔隙面积虽然最大，但在10~30 cm土层内急剧减小，比深松更明显。相关分析结果表明，土壤大孔隙数与粗、细团聚体组成的大团聚体(R0.25)含量呈负相关。土壤孔隙度与粗团聚体呈显著正相关，与细团聚体呈显著负相关，与小团聚体和粘粒砂呈弱相关。轮耕模式中，旋耕+深松轮耕的大团聚体含量和团聚体水稳性均优于连年旋耕，免耕+深松轮耕在10 cm以下土层团聚体力稳定性最高。从团聚体碳组分来看，团聚体SOC小麦季为免耕、免耕+深松轮耕优于旋耕+深松轮耕，玉米季则为旋耕+深松轮耕表现更好；免耕+深松轮耕、旋耕+深松轮耕与深松均增加耕层大团聚体土壤ROC含量。旋耕+深松的轮耕模式能减缓连续旋耕的叶片早衰，促进作物生长，配合秸秆还田能增加小麦各器官含碳率和植株碳储量，提高周年产量。在两季中，深松处理下土壤团聚体固碳微生物群落组成特异性最强，具有的特有OTU数量最多。在两季里相对含量都有较高水平的前3个类群分别是变形菌门、疵微菌门、酸杆菌门。在小麦季，各粒级团聚体中固碳微生物中变形菌门的相对含量要普遍的高于玉米季节，小麦季各粒径团聚体中疵微菌门的固碳微生物要低于玉米季该类群的含量。.可见，轮耕能调控土壤碳转化的团聚体和微生物作用机制，减少免耕、旋耕表土层碳富集，缓解免耕大团聚体过多和深松团聚体力稳定性低状况，使土壤碳得到留存。