Geoderma | 土壤有机质稳定性:机理与控制因素

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原名：Decrease of soil organic matter stabilization with increasing inputs: Mechanisms and controls

译名：土壤有机质稳定性随投入增加而降低:机制和控制因素

期刊：Geoderma

通讯作者：Muhammad Shahbaz

通讯作者单位：哥廷根大学

原文链接: http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.05.019

 Introduction 

自1850年以来，25%的土碳损失是由土壤有机质(SOM)矿化造成的。土壤碳的流失可以通过使用推荐的管理方法进行碳化来减轻，从而提高粮食安全。谷物秸秆等作物残基的掺入是维持或增加农田SOM水平的重要措施。然而，最近的长期田间试验研究表明，在提高SOM方面，谷物秸秆掺入往往不是很有效。因此，在粉质淋溶土的长期试验中，残渣掺入效率(即单位投入SOM的增加)随着添加量的增加而降低。原因可能是:(1)地下的植物生物量的比例较低,这是更顽固的土壤SOM,平均停留时间更长,(2)有限容量的聚合, 对SOM的矿化提供物理保护,(3)植物残留物的激发效应。作物残渣的生化组成和物理结构影响矿化。植物的化学成分和物理结构各不相同，尤其是根系具有较强的抗性，在土壤中平均停留时间较长。包藏在聚集体内是另一个重要的机制，以保护垃圾矿化。通过物理遮挡保护SOM的聚集体是通过生物和物理化学过程形成的。团聚体通常根据稳定性(例如抗氧化性)和粒度来分类。残留物的添加形成了微生物活动的热点，触发了聚集物的形成。不同分解速率的有机质输入量和类型会影响团聚体的动态。在土壤中，不稳定物质可以引起正激发效应，即通过加速SOM矿化而增加的CO2释放(与不添加基质的土壤相比)。综上所述，随着残茬掺入量的增加，单位投入中SOM的增加量可能会减少:1)由于不稳定的地下投入向不稳定的地上投入的转变;2)由于聚集体保护的新鲜残茬比例降低;3)通过诱导SOM的正激发效应。

 Methods 

作者通过在64天的培养期间，将标有13C标记的小麦植株部分(叶子、茎和根)在两个水平上掺入壤土，来测试上述三种可能性。培养过程中测定CO2通量，在培养结束时分离水稳定的团聚体，同时测定微生物生物量。作者假设(1)无论添加水平如何，根渣的矿化速度都要慢于叶渣和秸秆渣;(2)随着添加水平的增加，聚集体的形成会增加，但聚集体内稳定的残渣C的比例会降低;(3)添加小麦渣会诱导正激发效应;其大小取决于添加的水平和残留的类型。

 Results 

水稳性大团聚体(>250μm)的分布受残留水平和类型的影响较大。水平和类型的交互作用对宏观团聚体分布有很强的影响，说明在高水平下，残留类型的影响更明显(图1)。在高添加水平下，大团聚体所占比例依次为叶片(45±2.9%)、茎(37.3±3.8%)和根(28.2±2.4%)。与之相对应，微团聚体的比例依次增加(图1)。大团聚体的比例(17-23%)在低添加水平下与未改良的土壤没有差异。微团聚体比例与大团聚体比例呈负相关。

团聚体的形成伴随着小麦残渣的掺入。高达58%的残余C全部被吸收,大团聚体中约37%的团聚体得到了保护(表1、图2)。在微团聚体(7-15%)和粉土加粘土组分(1.5-2.7%，图2)中观察到较低的残留C。在所有粒度级中，残留C的绝对值都较高。但在高添加水平下，宏观和微观团聚体中残留碳(初始投入的%)的含量较小(图2)。此外，根系碳在微团聚体中的含量显著高于茎和叶(图2)。

微生物生物量中残留的C受添加类型和添加水平的影响。所有残留类型的C掺入量均较高(2-3倍)，其中叶片掺入量最高，其次是茎和根(图3)。SOM的微生物生物量C含量受残渣类型和添加水平的交互作用影响(图3)。与低添加水平相比，添加叶片和秸秆使高添加水平的微生物生物量C含量分别降低了24和45mgkg−1。

64天后的残留物矿化(图4)取决于添加的类型和水平。与叶片或茎相比，根系CO2排放较低(图4)，这完全可以用根系较低的C含量来解释。然而，在高水平下，根部的矿化率低于叶片和茎的50%。矿化程度从低到高仅增加了2.4倍。SOM的矿化(图4)随着残留物添加水平的增加。因此，SOM矿化率增加了50 - 90%，这是由于添加了相当于田间等量的5 Mg ha−1和18 Mg ha−1作物残留物(图4)。

 Conclusion 

综上所述，团聚体的形成一般随添加量的增加而增加，但随着添加量的增加，聚集在团聚体内的残渣比例降低。地上生物量残基的包藏程度随添加量的增加而降低;残渣矿化量随添加量的增加而增加，但与茎和叶相比，根的矿化量增加较少。不同残渣类型的激发效应相似，主要取决于添加量:低添加量和高添加量分别使SOM矿化率增加50%和90%。结果表明，随着碳投入量的增加，团聚体内物理保护残留物的比例减小，激发效应增加，导致有机质内长期碳稳定的速率随添加量的增加而降低。

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