Catena | 秸秆还田配施化肥可缓解冬小麦土壤微生物氮限制并提高了土壤二氧化碳排放

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【文章信息】

原名：Straw return with fertilizer improves soil CO₂ emissions by mitigating microbial nitrogen limitation during the winter wheat season

中文名：秸秆还田配施化肥可缓解冬小麦土壤微生物氮限制并提高了土壤二氧化碳排放

期刊：Catena

2022影响因子：6.2

在线发表时间：2024-4

通讯作者：Yongzhong Feng, Xing Wang

E-mail：fengyz@nwsuaf.edu.cn (Y. Feng), wangxing0103@nwafu.edu.cn (X. Wang).

第一单位:西北农林科技大学

摘  要

秸秆还田是衡量绿色农业生产的关键指标。氮（N）和磷（P）在农业生态系统中的作物生长和碳（C）循环中发挥着关键作用。然而，秸秆还田与氮、磷配施用对土壤二氧化碳排放和酶化学计量调节机制仍不清楚。该研究通过为期两年的田间试验，利用酶化学计量学研究秸秆还田与氮、磷配施用对土壤CO₂排放、酶活性和微生物养分限制的影响。试验采用二因素裂区设计（秸秆为主区，化肥为副区）。结果表明，与秸秆还田（SW）相比，添加氮、磷（SNP）增加了25.54 %的CO₂排放量，添加氮（SN）减少了27.01 %的CO₂排放量。酶化学计量表明，施用氮、磷的秸秆还田表现出明显的碳和氮限制。在土壤养分方面，与S₀W处理相比，秸秆还田施肥（SNP，SN）显著提高了微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、溶解有机碳（DOC）和溶解有机氮（DON）。土壤微生物利用自身化学计量灵活性调节CO₂排放量，以维持养分和微生物的化学计量平衡。因此，秸秆还田与氮、磷配施可满足微生物化学计量学的要求，调节微生物和细胞外酶的活性，有效调节土壤养分限制。

研  究  背  景

秸秆还田后，土壤固碳量可达100-1000 kg C ha-¹ year^-1。然而，由于分解损失和微生物呼吸启动效应，秸秆还田的固碳效果有限，仅靠增加秸秆投入无法实现长期固碳。此外，土壤养分平衡在提高秸秆转化为土壤有机碳（SOC）的效率方面起着关键作用。在C供应充足的情况下，氮有效性的提高可满足微生物对C:N的需求，并刺激微生物活动，加速SOC矿化。然而大多数土壤微生物群落都受到碳或氮、磷的限制或共同限制，因此微生物通过胞外酶作用从天然有机碳中提取氮和磷。胞外酶活性（EEA）和化学计量代表了微生物对环境养分可用性的特定反应。例如，微生物可以通过分泌过量磷酸酶从有机物中获取P来应对土壤中的P限制；因此，低P土壤可能会导致SOC损失，并成为CO₂排放的关键因素。微生物养分限制意味着碳过剩，而碳的去向可能因微生物的适应方式而异。然而，微生物的适应途径如何受到养分限制的影响尚不清楚。微生物碳利用效率（CUE）被定义为分配用于生长的有机碳与总有机碳的比率。根据生态化学计量理论，当氮或磷相对于碳的有效性低于最佳生长所需的元素比率阈值时，就会出现资源限制。然而，在秸秆还田与氮肥和磷肥的作用下，微生物代谢限制的模式还存在知识空白。此外，二氧化碳排放、微生物代谢限制和CUE之间的级联关系仍不清楚。

该研究的科学假设为：（1）秸秆还田可改善EEA，增加土壤养分；（2）秸秆还田或单独施用氮磷肥料可能导致养分化学计量失衡，从而抑制微生物活性和CO₂排放；（3）秸秆还田加施氮磷肥可满足微生物化学计量学要求，增加微生物活性，从而增加CO₂排放。

研究方案

1. 实验地点

从2020年到2022年，在陕西省西北农林科技大学曹新庄实验农场开展实验。该区域位于关中平原的中心，亚湿润和亚干旱气候。平均年降水量为660mm，平均年温度为12.9^◦C。试验前土壤的物理化学特性如表1所示。

2. 实验设计

在2019 年6月进行的田间试验，采用了小麦-玉米轮作系统。研究采用分小区设计，以秸秆为主区，化肥类型为副区，共设三个重复。每个小区面积为64m²（8m×8m）。共有六种处理方案：秸秆不还田+不施肥（S₀W）、秸秆不还田+氮肥（S₀N）、秸秆不还田+氮磷肥（S₀NP）、秸秆还田+不施肥（SW）、秸秆还田+氮肥（SN）、秸秆还田+氮磷肥（SNP）。

3. 实验指标测定

将新鲜土壤样本冷藏在-20^◦C，用于分析土壤含水量、微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、微生物生物量磷（MBP）、溶解有机碳（DOC）、溶解有机氮（DON）和细胞外酶活性（EEA）。风干土壤样本用于测量土壤 pH 值、土壤有机碳 (SOC)、全氮 (TN)、可利用磷 (AP) 和全磷 (TP)。

研究结果

1. 土壤CO₂排放

两年的试验结果表明，不同施肥模式下的秸秆还田对冬小麦土壤二氧化碳排放量有显著影响（图 1）。随着秸秆还田和施肥时间的推移，CO₂排放量总体上呈稳定且显著的增加趋势，在收获期达到各处理的最高值。在2021年和2022年收获季节，SNP处理的排放量最高；与S₀W处理相比，SNP二氧化碳排放量分别显著增加了471.07%和516.81%（图 1）。与秸秆还田（SW处理）相比，SNP处理二氧化碳排放量增加了25.54%；SN处理CO₂排放量减少了 27.01%。

2. 土壤养分和EEA 

秸秆还田和施肥模式对土壤理化性质和EEA有显著影响（表 2 和表 3）。结果表明，秸秆还田和施用化肥（SNP和SN）增加了SWC，显著降低了T、BD和pH。与 S₀W处理相比，所有处理都明显增加了SOC、TN和TP。土壤EEA受秸秆还田和施肥模式的影响很大（表 3）。与S₀W处理相比，SN处理使NAG酶活性显著提高了28.62%，LAP酶活性显著提高了49.89%，AKP酶活性显著提高了41.61%。然而，SNP处理对BG酶活性没有明显影响。此外，Mantel检验表明，EEA与土壤理化特征密切相关，其中与pH和MBN的关系最为密切（图 5b）。

3. 营养和细胞外酶化学计量

秸秆还田和施肥模式极大地影响了土壤养分和胞外酶的化学计量（表 4，图 2）。与S₀W处理相比，所有处理的土壤碳氮比都有所下降。此外，与S₀W处理相比，SN和SNP处理的氮磷比分别提高了6.39%和17.35%。与S₀W处理相比，SNP和SN处理分别使MBC:MBP显著增加了296.10 %和251.02 %；但其他处理的变异性更大。与S₀W处理相比，S₀NP、SN和SNP处理显著降低了 EEA_C:N，而S₀N和SW没有显著差异（图 2a）。与S₀W处理相比，SNP处理显著降低了EEA_C:P（图 2b），但显著提高了EEA_N:P（图 2c）。

4. 微生物代谢限制和CUE的变化

在秸秆还田处理下，施肥（SNP和SN）明显降低了微生物的碳限制。所有处理的矢量角都小于45^◦，表明土壤氮含量主要限制了微生物的新陈代谢（图 3c）。与S₀W处理相比，S₀NP和SW处理增加了微生物对氮的需求（图 3b）。SW处理的CUE最低。特别是与S₀W处理相比，化肥和秸秆还田与化肥一起施用都增加了CUE，只有单一秸秆还田减少了CUE，是所有处理中CUE最低的。相关分析结果表明，CUE与MBC、MBN、DON、MBP、NAG、LAP、MBC:MBP、MBN:MBP显著正相关：MBP、MBN:MBP、EEA_N:P和CO₂排放量呈显著正相关。CUE与pH、BG、EEA_C:N、VL和VA呈明显负相关（图 5a）。

5. 土壤二氧化碳排放量与土壤物理化学、微生物生物量和酶化学计量的关系

相关分析表明，CO₂排放量与SOC、TN、TP、MBC、MBN、DON、MBP、LAP、MBN:MBP、EEA_N:P和CUE显著正相关，同时与T、pH和VA负相关（图 5a）。此外，随机森林结果显示，pH、SOC、DON、AKP、MBN、TN、MBN:MBP、EEA_N:P和BD对CO₂排放有显著影响（图 5c）。

根据土壤理化、化学计量和微生物养分限制的可能贡献，通过结构方程建模确定了累积二氧化碳释放的潜在土壤驱动因素（图 6）。就对累积二氧化碳排放量的总体影响而言，秸秆还田的影响大于施肥（图 6a）。此外，秸秆还田和施肥都会影响MBN:MBP和VL，进而影响CO₂排放量。同时秸秆还田和施肥通过不同途径减少CO₂排放。此外，施肥可通过降低pH值减少二氧化碳排放，从而影响MBP、VL和EEAN:P。秸秆还田和施肥还可以通过影响MBN和LAP来减少VL，从而减少CO₂排放量。

结论与启示

本研究探讨了秸秆与化肥配施对冬小麦土壤二氧化碳排放和微生物养分限制的影响。秸秆还田与化肥配施改善了土壤养分，SNP处理使SOC显著增加了27.13%，TN增加了28.24%，TP增加了19.77%。值得注意的是，氮肥和磷肥的结合减少了微生物的养分限制，从而加快了秸秆矿化。与仅秸秆还田SW）相比，施用氮磷肥（SNP）增加了25.54 %的二氧化碳排放量。土壤微生物利用自身的化学计量灵活性调节碳排放，以维持养分和微生物之间的化学计量平衡。研究结果为优化秸秆管理措施、实现农业种植的低碳绿色生产提供了理论指导。此外，在未来的研究中，还可以从微生物群落结构和功能基因的角度进一步解释微生物养分限制和碳排放的内部机制。