微生物衍生的碳组分对于提高免耕农田土壤有机碳至关重要

Original 赵艺暄翻译土壤观察 2022-07-27

导读

本研究的结果通过提供关于耕作管理与不同SOC组分之间的相互关系的信息，为特定地点的SOC管理提供了科学基础，这些信息可有助于增加农田的SOC储量。

翻译：赵艺暄

英文题目：Microbial-derived carbon components are critical for enhancing soil organic carbon in no-tillage croplands: A global perspective

中文题目：微生物衍生的碳组分对于提高免耕农田土壤有机碳至关重要

期刊名称：Soil & Tillage Research

发表年份：2021

第一作者，通讯作者：李渊，张清平

关键词：碳组分保护性耕作少耕秸秆还田土壤有机碳

文章亮点

1.通过meta分析，量化了全球范围内免耕农田土壤碳组分的变化。

2.评估了环境和农艺因素对碳组分变化的影响。

3.免耕农田土壤中MBC的增加大于DOC、POC和MOC。

4.免耕农田土壤中SOC与MBC和POC呈高度正相关。

研究背景

土壤有机碳（SOC）是全球碳循环的一个重要组成部分。SOC的典型组分包括可溶性有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、颗粒有机碳（POC）、易氧化有机碳（EOC）和矿物结合有机碳（MOC）。DOC被认为是土壤微生物活动的主要能源和土壤微生物可利用碳的指标。MBC被定义为土壤有机质（SOM）的活性成分，虽然只占SOM的一小部分，但其对许多微生物驱动的过程有重大影响。POC定义为粒径在0.053 mm至2 mm的有机碳，由于其易于测量，已成为估算SOM变化的常用指标。EOC被定义为可氧化的土壤有机碳，而MOC与细土部分（<0.053 mm，泥土和粘土）相关，主要由来自植物和微生物代谢产生的低分子量化合物组成。综合起来，这些常见的SOC组分反映了土壤中的复杂动力学和关键过程；因此，它们常被用来评估农业管理措施（如保护性耕作）对SOC的影响。

虽然耕作措施对SOC储量有显著影响，但在全球范围内，耕作措施对不同SOC组分的影响还不确定，这使得对SOC变化的观测更加困难。利用从全球范围内95项研究收集到的数据，本研究调查了免耕条件下0-400 mm土层中不同SOC组分（DOC、POC、EOC、MBC和MOC）的变化。本研究还量化了不同环境和农艺因素（如气候条件、土壤质地和养分条件、研究持续时间和种植强度）在这些SOC组分变化中的作用。

材料和方法

为收集相关数据，我们使用ISI Web of Science（http://apps. Webofknowledge.com/）和中国知网（http://www.cnki.net/）搜索了1975年1月至2019年7月的已发表文章。具体关键词包括：“碳组分”、“碳成分”、“碳”和“保护性措施”、“耕作”。为了尽量减少偏差，遵循了几个标准：i）研究允许对基于田间试验的传统耕作（CT；用犁或耙将土壤耕作至200–250 mm深有（<15%的耕作后残留量）或无残留量）和保护性耕作进行两两比较。ii）试验设计包含三个以上的重复。最终，全球范围内的95项研究（图1）符合选择标准。

图1 meta分析中所用研究的地理位置。

此外，我们还收集了相关研究的土壤性质（例如，土壤质地、土壤有机碳初始含量（SOCi）、初始土壤全氮（TN）、初始有效氮（AN）、钾（AK）、磷（AP）和初始土壤pH）、气候条件（年平均降水量（MAP）、年平均温度（MAT））的信息，农艺措施（试验持续时间和种植强度）和土壤取样深度。同时将这些参数进一步分组，试验持续时间（<6年、6-12年和>12年）、降水量（干燥，MAP<600毫米；中等，MAP<600-1000毫米；潮湿，MAP>1000毫米）、温度区域（寒冷，MAT<8°C；中间，MAT介于8°C和15°C之间；炎热，MAT>15°C）土壤质地（粘质、粉质、壤土和砂质）和种植强度（单、双作物种植和多种作物种植）。根据土壤采样深度进行分组，表层土（0-150mm）和底层土（150-400mm）。

处理组（NT）和对照组（传统耕作，CT）之间的加权效应比（RR++，也定义为效应量）。处理与对照组之间的变化百分比，计算为(exp(RR++)-1)×100%。

结果

（1）保护性耕作措施对SOC及其组分的影响

与CT相比，NT显著增加了SOC及其各个组分。

（2）NT对SOC组分的影响因环境/农艺因素而异

无论是否保留作物秸秆，NT持续时间、种植强度和土壤取样深度如何变化，NT显著增加了DOC的RR++。此外，多种植系统中DOC的RR++比单种植和双种植系统高；当MAT在8-15°C之间或MAP大于1000 mm时，DOC的变化不显著；砂质土壤中DOC的RR++则高于其它土壤类型（图2）。

图2 土壤可溶性有机碳（DOC）的效应量。误差条表示95%置信区间（CIs），当CIs不与零重叠时，处理组和对照组处理之间有显著差异。每个变量的样本大小在括号内显示。

与CT相比，NT在以下条件下显著增加了POC的RR++（图3）：1）作物秸秆不还田，2）NT的持续时间>6年，3）MAT范围为8至15°C，4）MAP<1000 mm，5）土壤质地为壤土或砂土，6）土壤样品从表土中采集。然而，与CT相比，NT显著降低了底层土壤POC含量，16.5%。

图3 土壤颗粒有机碳（POC）的效应量。

无论作物秸秆是否还田，与CT相比，NT显著增加了6.5-16.1%的EOC含量（图4）。与CT相比，NT在以下条件下显著增加了EOC含量：1）NT的持续时间在6至12年之间，2）MAT<8°C或>15°C，3）MAP <600 mm，4）系统有两种以上的作物，5）样品取自壤土或砂土，6）从表层土壤取样。此外，在多种作物种植中，EOC的RR++比双作物制高153%。然而，当MAP在600至1000 mm范围内时，与CT相比，NT显著降低EOC含量7.9%。

图4 土壤易氧化有机碳（EOC）的效应量。

与CT相比，无论是否保留作物秸秆，NT持续时间和种植强度如何，NT显著增加了MOC含量（图5）。然而，当MAP<600 mm时，在粘性土、粉质土和砂质土中，或从底层土中采集土壤取样时，MOC变化并不显著。

图5 土壤矿物结合有机碳（MOC）的效应量。

（3）环境/农艺因素对SOC组分的影响

关于不同变量在NT处理下SOC组分中RR变化的重要性（图6），总体而言，土壤取样深度和MAT是影响SOC组分RR的最重要因素，其次是试验持续时间。具体而言，MAT对DOC，EOC和MBC的RR（图7a）有负面影响。实验持续时间和NT对DOC、EOC和MBC的RR有积极影响。同样，AK对DOC、POC、EOC和MBC的RR有显著的积极影响，TN含量对POC、EOC和MBC的RR有负面影响。

图6 a）环境/农艺因素对土壤有机碳（SOC），b）土壤可溶性有机碳（DOC），c）土壤颗粒有机碳（POC），d）土壤易氧化有机碳（EOC），e）土壤微生物生物量碳（MBC），f）土壤矿物结合有机碳（MOC）响应比变化的相对重要性（不考虑残留物管理的免耕与无残留物保留的常规耕作）。采用随机森林分析，较高的IncMSE%意味着更重要。

关于SOC的RR，实验持续时间、采样深度和气候条件比其他因素更重要（图6）。TN含量对SOC的RR有负面影响（图7a），而AK、pH、MAT和实验持续时间对SOC的RR有积极影响。

我们还观察到SOC的RR与DOC、POC、EOC、MOC和MBC的RR（表S6和图7b）呈正相关。而POC的RR与MOC的RR呈正相关，MBC的RR与EOC的RR呈正相关。

图7 a）土壤组分响应比之间的皮尔逊相关性（不考虑免耕与常规耕作）（包括土壤有机碳（SOC）、土壤可溶性有机碳（DOC）、土壤颗粒有机碳（POC）、土壤易氧化有机碳（EOC）、土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤矿物结合有机碳（MOC）和气候（年平均降水量（MAP）、年平均温度（MAT））、初始土壤性质（初始土壤有机碳（SOCi）、初始土壤pH（pH）、初始土壤全氮（TN）、初始土壤有效钾（AK）初始土壤有效磷（AP）和试验持续时间。b）土壤组分响应比的经验网络。相关系数由颜色梯度表示（图的颜色版本在本文的网络版本中）。

讨论

正如预期，保护性耕作措施确实增加了SOC含量，SOC的RR++与各种SOC组分（如DOC、POC、EOC、MOC和MBC）的RR++高度相关的事实表明总的SOC含量通常与每种典型的SOC组分变化一致。同样，影响SOC总含量的主要因素（即环境和农艺因素）也显著影响了这些常见组分。

我们的研究发现SOC含量的增加是NT的结果，NT与MBC或POC始终具有良好的相关性。尽管土壤MBC仅占SOM的一小部分（<5%），但MBC对环境和农艺因素更为敏感，因此，土壤MBC在碳固存中的作用大于其它SOC组分。本研究还发现，物理保护的SOC（如MOC）的变化并不影响整体SOC的变化，而化学组分SOC（如EOC）的变化与SOC的变化有较弱的相关性（图7b）。此外，土壤微生物通过改善土壤聚合和随后POC的形成来间接影响C的循环。从这个意义上说，MBC是调节土壤碳池动态的一个很重要的组成部分。其次，MBC对其他SOC组分的周转也至关重要，因为它直接控制土壤胞外酶的活性，这是驱动SOC周转的基础。

研究表明，微生物来源的碳在受到物理保护时相对稳定。我们建议使用NT措施增加农田土壤中的SOC（图8a），由于较少的干扰和作物残茬还田，直接或间接提高了土壤微生物总生物量。微生物生物量的增加可能不会促进微生物分解SOC或其它SOC组分，这是由MBC和EOC之间的弱正相关关系支持的。最终，来自微生物转运的C形式稳定的C（例如，通过聚集保护，POC），可以长期储存，从而增加SOC固存（图8b）。然而，需要进一步的研究来验证这一机制。

此外，我们的研究还发现，在较大的空间尺度上，SOC含量与MAT密切相关，这与许多研究表明气候因素是影响SOC变化的主要因子的结果一致。温度影响SOC周转率、植物生长和微生物活动；温度也间接影响土壤物理特性和团聚体稳定性。

图8 a）NT处理下各SOC组分之间潜在关系的概念图。b）通过NT处理预测MBC和POC在增加SOC中的关键作用。概念图采用MEND模型结构。灰线表示不一致的关系。线宽与关系的强度成正比。

结论

基于全球数据集，我们的meta分析发现，NT增加SOC含量在很大程度上与微生物直接或间接衍生的SOC组分，MBC和POC，的增加相关。在各种环境和农艺因素中，土壤深度、MAT和NT持续时间是影响SOC组分的最重要变量。本研究的结果通过提供关于耕作管理与不同SOC组分之间的相互关系的信息，为特定地点的SOC管理提供了科学基础，这些信息可有助于增加农田的SOC储量。具体来说，在MAP<1000 mm和8-15°C MAT的壤土地区，长期（6 yr）NT措施可能是增强0-150 mm土壤剖面中SOC的有效策略；这种效应很大程度上。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104758

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