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研究背景
施用氮肥和覆盖地膜是当今世界普遍实行的农业管理措施，为保障粮食生产发挥了重要作用。研究两者对土壤有机碳库的影响对土壤肥力乃至气候变化具有重要意义。以往研究表明，两者对土壤有机碳(SOC)库大小的改变具有强烈的不确定性。施氮可以通过降低木质素氧化酶活性、增加净初级生产力(NPP)等加快SOC积累，也可以通过刺激异养微生物活性加速SOC分解。而地膜覆盖一方面可以通过改善土壤水热条件，促进土壤微生物活动，加快SOC分解；另一方面也可能通过刺激根系生长，增加向土壤的碳输入抵消SOC分解带来的影响。
除了两者单独对SOC变化的不确定性，更大的挑战在于施氮和覆膜是否对土壤碳循环存在交互作用尚不清楚。基于过去对覆膜或施氮的单独报道，难以准确预测土壤碳循环对两者的复杂响应程度。同时由于SOC固存的相对缓慢性，短期的施氮或覆膜实验很难观测到SOC含量的微小变化，需要从长期施氮和覆膜实验中得到更为客观的结论。
材料与方法
本研究基于沈阳农业大学长期施用氮肥和地膜覆盖的定位试验田(~28年)，采集六个处理（两因素：施氮和地膜，施氮包括0、135和270 kg N ha-1 yr-1三个水平，地膜包括覆膜和不覆膜两个水平）的土壤样品，测定土壤SOC、总氮、根生物量、土壤酶活及土壤培养（57天）的SOC矿化率等指标。重点关注地膜覆盖和施氮结合对SOC含量的交互影响，并深入探究两者驱动SOC变化的潜在机制。
结果&讨论
施氮和覆膜对SOC含量具有强烈的交互作用(图1A)。是否覆膜造成SOC含量对施氮的响应相反。不覆膜时，施氮处理的SOC含量低于或接近不施氮处理；覆膜时，与不施氮相比，施氮平均增加SOC含量13%(图1A)。进一步研究发现，SOC含量和根系生物量之间存在显著正相关关系(图4A)。因为试验田每年都去除所有地上植物生物量，所以根系生物量是主要的土壤碳来源。因此根系生物量直接驱动了SOC含量在覆膜与不覆膜两种情况下，对施氮的相反响应。而根系生物量的高低可能与土壤氮含量有关。分析认为，地膜覆盖条件下土壤能够保持更多的有效氮(图1B)，从而促进植物生长，增加根系向土壤中的碳输入。此外，施氮通过降低土壤pH值(图1C)和抑制碳降解酶(BG)活性(图2A)，降低了SOC矿化率(图3A, B)，增加了SOC的生物稳定性。
长期覆膜对SOC的影响取决于施氮量(图1A)。不施氮时，覆膜未改变SOC含量；施氮时，覆膜增加SOC含量约26%(图1A)。该结果与根系生物量的增加一致(图1D)。因此，根系生物量除了介导SOC对施氮的响应外，也介导了其对覆膜的响应。同样地，根系生物量对覆膜与否的相反响应也与土壤氮状况有关(图1B, D)。另外，长期覆膜降低了绝大多数土壤酶的活性(图2)，从生物学角度来看，长期覆膜可能导致土壤健康状况下降。
图 1 连续28年施氮和覆膜后0~20 cm土层土壤SOC、总氮含量、pH及0~40 cm土层内玉米植株的根生物量。N0:不施氮肥; N135 :施用135 kg N yr-1氮肥; N270:施用270 kg N yr-1. PFM: 覆盖地膜。下同。
图 2 施氮和覆膜条件下的土壤酶活性
图 3 土壤培养过程中土壤有机碳(SOC)矿化和微生物参数：(A)随培养时间增加的累积SOC矿化百分比(%)；(B)培养结束后的累积SOC矿化百分比(%);(C)培养结束时的微生物生物量碳(MBC)和(D)可溶性有机碳(DOC)；(E)微生物代谢商(qCO2)，为培养期内平均的CO2排放率与培养结束时的MBC之比。
图 4 土壤性质及根生物量间的线性关系
小结
长期单一施用氮肥造成SOC含量减少，而长期施氮和覆膜耦合增加了SOC含量(图5)。这是因为，覆膜通过提高土壤有效氮含量，促进作物生长，增加根系生物量。作为SOC的主要来源，根系生物量在长期施用氮肥和地膜覆盖对SOC含量变化中发挥了关键作用。另外，无论覆膜与否，施氮都可以诱导土壤酸化，造成土壤中与碳、氮降解相关的水解酶活性下降，提高SOC的生物稳定性。这项研究揭示了长期施氮和地膜覆盖对SOC含量影响的潜在机制，为长期维持农作管理制度情况下预测SOC含量的变化增加了新的认识。
图 5 长期施氮和覆膜对土壤有机质性质、根生物量的影响示意图
该文于2021年12月4日以“Increased soil organic matter after 28 years of nitrogen fertilization only with plastic film mulching is controlled by maize root biomass”为题被Science of the Total Environment期刊接收。沈阳农业大学丁凡副教授为本文第一兼通讯作者，共同作者包括沈阳农业大学博士生吉德昌、浙江大学博士生严康、悉尼大学Feike A. Dijkstra副教授、沈阳应用生态所鲍雪莲副研究员、沈阳农业大学李双异副教授、哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授。沈阳农业大学汪景宽教授为共同通讯作者。本研究受到国家自然科学基金(42071069)、英国全球挑战基金(NE/V005871/1)资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721073204
编辑 | 吉德昌
审核 | 丁凡