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Fan Ding's Lab

Intro block We know more about the movement of celestial bodies than about the soil underfoot!

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Introduction to the laboratory

Our group mainly focus on the soil C cycling process and mechanism (Fig 1) , and Ecological and environmental effects of plastic film mulching.

             Fig 1 soil C cycling process and mechanism 

丁凡研究组对辽宁省建平县地膜残留污染进行调研

 孙瑛明

为了完成国际全球挑战研究基金“ 农业微塑料是否会危害发展中国家的食物安全和可持续发展”的研究任务,2023.10.12-13日,小组成员吉德昌、李诗彤、常艺、于浩然、孙瑛明对辽宁省朝阳市建平县的覆膜地块进行了调研及采样。建平县,隶属于辽宁省朝阳市,位于辽宁省西部,燕山山脉向辽沈平原的过渡地带,横跨东经119°1'至120°2',纵跃北纬40°17'至42°21',属北温带海洋性季风气候向大陆性气候过渡区,雨热同季,全年平均气温7.6 ℃,年平均降水量614.7 mm。建平县是辽宁省的覆膜大县,地膜污染也很严重,当地农业环境监测保护站监测到建平县的农田中地膜残留量已经达到了每亩地3到5公斤。

  此次调研采样主要针对建平县小塘镇新城村的覆膜地块,与建平盛德日新矿业有限公司合作开展一系列活动。辛志刚工程师为我们提前联系了两家农户,在12日下午,我们对两家农户进行了走访调查。在与农户的交流中得知,当地主要种植谷子、高粱、玉米,还有一些设施农业种植生菜、西葫芦等经济作物。大田种植基本家家户户都覆膜,通常使用黑色PE膜,覆膜年限都在6-7年。近4年开始使用机器覆膜并同时使用膜下滴灌技术,布管、播种、施肥、覆膜一体化。在选择黑膜之前也覆过两年白膜,但发现白膜对杂草的抑制效果不如黑膜显著,且农户反映使用黑膜、白膜对产量几乎没有影响。每年秋收后,当地人对农膜并不做特殊处理,而是待第二年春耕时,将其翻耕到地下。 

在覆膜的情况下,当地玉米能达到2000斤/亩的产量,而谷子、高粱由于无法使用膜下滴灌技术,产量不稳定在900斤/亩左右。

               

               

图1 对两家农户进行走访调研

  13日,我们对两家农户的地块进行土壤采样,两块地面积在10亩左右,每个地块选择4个取样点,共取了24份土样,24个容重。在取样地,我们可以明显看到残留在田间的黑膜,且大部分保留完整。由于当地属于矿区,在第二个采样点我们发现土壤中有许多尾矿砂,其中的重金属和有害物质可能对土壤的肥力结构产生影响,抑制植物的生长和发育从而减产。

图2 采样地覆膜及残留情况

图3 土壤中存在的尾矿砂

  

  在采样工作结束后,辛志刚工程师带我们参观了企业中的一座正在开采的矿山,这是我们第一次见到正在开采的矿山,给我们每个人都带来了极大的震撼。

  本次采样调研工作是一次十分珍贵的可以深入实地,了解农民生活生产的机会。通过两天的实地走访,我们看到大量的农用残膜残留在田间地头,给我带来的不仅有震撼,还使我深深感受到了自己所研究方向的意义,希望我个人渺小的能力能成为中国残膜治理道路上的一块砖,尽早解决残膜问题,为祖国的绿色农业和可持续发展保驾护航!

  最后感谢建平盛德日新企业对我们采样工作的帮助,感谢辛志刚工程师的费心安排,使我们能够顺利完成这次的采样工作。

图4 正在开采的矿山

图5 从右往左依次为:于浩然、辛志刚、吉德昌、常艺、李诗彤、孙瑛明

沈阳农业大学丁凡在地膜(微)塑料残留与环境响应方面取得一系列进展

      地膜覆盖技术起源于20世纪50年代,1979年引进我国,如今地膜广泛应用于世界各地的大田和温室种植环境中。地膜覆盖是保障缺水或寒冷地区农业生产力的重要技术措施,在我国西北一些地区,甚至到了“没有地膜,就没有产量”的程度。大量监测和统计数据显示,地膜覆盖技术可以使主要农作物增产30%以上。因此,地膜覆盖技术为我国乃至全球粮食安全作出了巨大贡献。

     然而,地膜变成了“地魔”。地膜的广泛、持续使用导致农田中残留了大量的塑料,不仅影响农业生产和作物的生长、发育及产量,还给农田及周围环境造成了严重的污染。塑料残膜进一步破碎可以变成微/纳米级塑料,不仅给土壤生物和农作物生长带来危害,还可能通过食物链传递而危害人体健康。新型生物降解地膜代替传统塑料地膜,有望解决地膜污染问题,但是其环境效应,特别是它是否会产生微塑料及最终去向等问题,几乎是研究空白,这阻碍了生物降解地膜在农业上的推广和应用。因此,地膜的污染防控问题,属于国家农业和环境领域的重大需求,迫切需要解决,而地膜(微)塑料残留与土壤环境响应则是地膜污染防控的核心科学问题,亟待我们回答。然而,以往国内外有关塑料的研究主要聚焦在海洋污染领域,土壤(微)塑料污染的问题最近几年才受到关注,尤其是地膜及其微塑料的残留与土壤环境响应研究仍非常滞后。

       沈阳农业大学是最早研究地膜覆盖的单位之一,汪景宽教授早在1987年就读硕士阶段就建立了地膜覆盖定位试验,一直持续至今。该站是全球最早的覆膜定位试验,依托该试验站,获批国家自然科学基金12项,发表地膜领域的论文80余篇(其中SCI论文30篇,中文50余篇)。2021年,团队成果“长期覆盖条件下旱田土壤肥力演变规律及其提升关键技术创制与应用”获得辽宁省科技进步一等奖。这些工作主要围绕地膜覆盖条件下土壤肥力和作物产量变化来进行。

       从2017年开始,团队成员丁凡副教授开始研究地膜(微)塑料残留及环境效应问题,主要从传统地膜残留、新型地膜残留、土壤环境响应三个方面开展了研究(图1)。取得的主要成果为:摸清了我国县域地膜残留的家底,我国地膜残留总量为197万吨;证实了地膜产生的微塑料可以迁移到深层土壤,地膜对0-100 cm剖面中微塑料总量的贡献为33%-56%;开发了生物降解地膜微塑料的提取方法,被全球挑战基金项目推荐给6个国家的专家使用;提出了关注可降解地膜本身参与的碳循环过程及其固碳效应的新视角;发现33年覆膜残留对玉米生长和土壤质量的正遗留效应,挑战了当前地膜残留抑制大田作物生长的认知。这些结果为我国地膜的污染防控提供了数据支撑,并为生物降解地膜的推广和应用提供了科学依据。

      由于在地膜领域取得的系列成果,2021年,丁凡受《Science of the Total Environment》主编Elena Paoletti教授的邀请,牵头组织了“Environmental impacts of agricultural plastic film mulching: Fate, consequences, and solutions”专刊,提升了中国在地膜研究领域的国际影响力;受邀共同主持(Co-PI)英国政府资助的全球挑战基金“农业微塑料是否会危害发展中国家的食物安全和可持续发展”,该项目人员来自英国、中国、越南、埃及、印度、斯里兰卡六个国家,总经费350万英镑;2022年12月6日,受德国国际合作机构(GIZ)邀请在第二届地膜管理与污染防控研讨会做大会报告。

 

1  研究方向与思路(红色字体为下一步拟开展工作内容)

 

主要研究进展:

  1. 传统地膜残留:

揭示了三十二年覆膜后土壤中微塑料的残留特征(2,证实了微塑料能够迁移到深层土壤,量化了地膜对微塑料的贡献(33%-56%);摸清了我国县域农田地膜残留的家底(总量为197万吨),为国家地膜的污染防控提供新的数据支撑(图3)。

                         第二个图

2  32年覆膜土壤中残膜和微塑料的剖面分布特征

                                               

3  中国农田地膜残留的时空分布特征

注:A:2007~2020年中国农田土壤地膜残留量的年际变化;B:2020年中国各省农田土壤地膜残留量。

 

2. 新型地膜残留:

     探明了生物降解地膜在土壤中的去向及其产生微塑料的动态规律,开发了生物降解地膜微塑料的提取方法(图4),明确了生物降解地膜微塑料(>100 微米)在土壤中不会存留很长时间(几年),提出了关注生物降解地膜本身参与的碳循环过程以及其固碳效应的新视角(图5),为生物降解地膜的应用和推广提供科学依据。

4  开发的生物降解地膜微塑料提取方法

 

中文Graphic Abstact

5  生物降解地膜对土壤有机质的间接和直接影响过程

注:“+”表示生物降解地膜覆盖下该指标增加,“?”表示响应未知

3. 土壤环境响应:

       揭示了地膜覆盖条件下元素循环过程及调控机制,改变了覆膜会加快土壤有机质损失的传统认知(图6);明晰了地膜残留的遗留效应,确认了长期覆膜残留对玉米生长和土壤质量没有负面效应,挑战了当前地膜残留抑制大田作物生长的认知(图7)。

地膜覆盖条件下CNP元素循环过程

7  33年覆膜对后茬玉米生长和土壤质量没有负面效应

5年发表的代表性文章:

  1. Fan Ding*, Li, S.; Lu, J.; Penn, C. J.; Wang, Q.-W.; Lin, G.; Sardans, J.; Penuelas, J.; Wang, J.; Rillig, M. C.,2023. Consequences of 33 Years of Plastic Film Mulching and Nitrogen Fertilization on Maize Growth and Soil Quality. Environmental Science & Technology , 57, 9174-9183.
  2. Li, S.; Fan Ding*; Flury, M.; Wang, J., 2023. Dynamics of macroplastics and microplastics formed by biodegradable mulch film in an agricultural field.  Science of The Total Environment, 894, 164674.
  3. Fan Ding*, Davey L. Jones, David R. Chadwick, PilJoo Kim, Rui Jiang, and Markus Flury. 2022. Environmental impacts of agricultural plastic film mulch: Fate, consequences, and solutions. Science of the Total Environment. 836, 155668.
  4. Dechang Ji, Fan Ding*, Feike A. Dijkstra, Zhaojie Jia, Shuangyi Li, and Jingkuan Wang. 2022. Crop residue decomposition and nutrient release are independently affected by nitrogen fertilization, plastic film mulching, and residue type. European Journal of Agronomy. 138: 126535.
  5. Shitong Li, Fan Ding*, Markus Flury, Zhan Wang, Li Xu, Shuangyi Li, Davey Jones, Jingkuan Wang. 2022. Macro- and microplastic accumulation in soil after 32 years of plastic film mulching. Environmental Pollution. 300, 118945. (ESI高被引和热点论文)
  6. Fan Ding*, Dechang Ji, Kang Yan, Feike A. Dijkstra, XuelianBao, Shuangyi Li, Yakov Kuzyakov, Jingkuan Wang*, 2022. Increased soil organic matter after 28 years of nitrogen fertilization only with plastic film mulching is controlled by maize root biomass. Science of the Total Environment. 10, 152244.
  7. Zhengyu Wang, Mingxuan Li, Markus Flury, Sean Schaeffer, Yi Chang, Zhao Tao, ZhaojieJia, Shitong Li, Fan Ding*, Jingkuan Wang, 2021. Agronomic performance of polyethylene and biodegradable plastic film mulches in a maize cropping system in a humid continental climate. Science of the Total Environment. 786, 14746.
  8. Fan Ding*, Markus Flury, Sean M. Schaeffer, Yingde Xu, Jingkuan Wang 2021. Does long-term use of biodegradable plastic mulch affect soil carbon stock? Resources, Conservation & Recycling. 175, 105895.
  9. Fan Ding*, Shuangyi Li, Xiao-Tao Lü, Feike Dijkstra, Sean Schaeffer, Tingting An, Jiubo Pei, Liangjie Sun, Jingkuan Wang*. 2019. Opposite effects of nitrogen fertilization and plastic film mulching on crop N and P stoichiometry in a temperate agroecosystem. Journal of Plant Ecology. 12(4), 682–692.
  10. 李铭轩,吉德昌,王政宇,徐英德,贾照杰,李诗彤,常艺,冯良山,张哲,冯晨,丁凡*,2022. 生物降解地膜对土壤微生物丰度、活性及群落结构的影响. 农业环境科学学报. 41(8): 1758 -1767.
  11. 丁凡,严昌荣,汪景宽,2022. 黑土地保护中不容忽视的一个问题:地膜残留与污染. 土壤通报. 53(1): 234-240. (被“土壤观察”公众号转载)
  12. 丁凡,吕军,刘勤,郭莹,何文清,王林,严昌荣,2021. 我国棉花主产区变化与地膜残留污染研究. 华中农业大学学报. 40(6): 60-67.
  13. 丁凡,李诗彤,王展,冯良山,汪景宽,2021. 塑料和可降解地膜的残留与降解及对土壤健康的影响:进展与思考. 湖南生态科学学报. 8(03): 83-89.
  14. 王庆鲁,祝鹏飞,丁凡*. 2020. 地膜覆盖和有机肥施用对农田土壤和作物C、N、P化学计量学的影响. 生态学杂志. 39(4): 1191-1197.

丁凡受邀参加第四届全国环境微塑料污染与管控学术研讨会

第四届全国(海洋)环境微塑料污染与管控学术研讨会于2023年6月5日-6月8日在上海举办。丁凡副教授应邀做分会场特邀报告,课题组博士生李诗彤在研究生专场进行了口头报告。

丁凡副教授特邀报告题目为“地膜(微)塑料残留与作物生长响应。”报告主要内容包括:1)传统地膜(微)塑料残留2)生物降解地膜的降解与微塑料形成;3)土壤环境与作物生长响应。

主要结论为:1)传统覆膜土壤中,地膜对微塑料的贡献为33%-56%,微塑料在土壤中可以向下迁移到深层土壤。2)生物降解地膜确实会产生微塑料,但从目前的结果初步判断其在土壤中的存留时间较短(几年);并提出了一种新的生物降解地膜微塑料提取方法:H2O-ZnCl2法,解决了传统微塑料提取方法不能用来提取生物降解地膜微塑料的问题3)长期(33年)覆膜(微)塑料残留对土壤地力、玉米生长和产量没有负面效应。    

 

 

 

图1 丁凡副教授应邀做大会汇报

 

李诗彤的口头报告题目为“生物降解地膜形成的大塑料与微塑料的动态规律”(原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969723032977?via%3Dihub)。研究基于中国辽宁省海城市建立的生物降解地膜覆盖实验,在2018年单次覆盖生物降解地膜,生物降解地膜以聚己二酸丁酯-对苯二甲酸酯(PBAT)和聚乳酸(PLA)为原料,选用透明和黑色两种颜色。量化了生物降解地膜覆盖后4年内产生大塑料(>5mm)和微塑料(检测尺寸为0.1-5mm)的动态变化。得出结果:(1)生物降解地膜在耕作混入土壤后2.5年,生物降解地膜产生的残膜已经肉眼不可见。(2)生物降解地膜会产生微塑料(0.1 mm-5 mm)只能存留几年(>4年)的时间。(3)提出一个新的提取生物降解地膜源微塑料方案,去掉加氧化有机质的步骤,用H2O分离有机质和生物降解地膜。

 

 

图2 博士生李诗彤进行汇报展示

本次会议由华东师范大学、上海市海洋湖沼学会、中国土壤学会环境微塑料工作组等单位联合主办。邀请国内著名专家和学者做大会和分会报告,同时期刊专刊、举办仪器培训和推展、学术研究墙报、研究生专题交流等学术活动。促进了我国海洋与陆地环境微/纳塑料的研究和学术交流,更好应对塑料污染治理。与会学者对相关课题充分研讨交流,推动我国的环境保护和塑料污染治理。感谢主办方创造了“第四届全国(海洋)环境微塑料污染与管控学术研讨会”这一学术交流盛宴!

 

图3 分会场现场讨论

 

 

编辑:李诗彤

审核:丁凡

 

GCB文章:化学计量学二元混合模型来揭示矿质结合态有机质中植物源和微生物源的贡献

缘起

土壤矿质结合态有机质(MAOM)是陆地生态系统中最大的土壤碳库之一。和一般的有机碳库不同,它通过各种物理化学作用与土壤黏/粉粒紧密结合,周转较慢,是相对惰性的碳库,因此其在土壤碳固存方面的重要性不言而喻。有机质存在两个来源,植物源(陆源)和微生物源。植物源是指这部分有机质主要是植物破碎分解产生的,主要携带了植物的诸多特征,比如木质素、纤维素等,一般来说碳氮比较大,分子质量较高;而微生物源主要是植物被微生物直接吃掉继而形成微生物死体(Microbial necromass),所以微生物源的有机质分子质量较小,比如氨基酸、多糖、脂类等,与土壤结合后相对植物源有机质可能更难分解。中科院沈阳生态所梁超曾将这两种路径总结为微生物的胞外修饰和胞内周转,并借鉴海洋碳泵理论提出了土壤中的微生物碳泵概念(Liang et al., 2017, Nature Microbiology)。

厘清这两种来源对MAOM的相对贡献是多少以及影响相对贡献的环境因素是什么对于管理和模拟土壤碳对环境变化的响应至关重要,这将有助于我们进一步对全球变化下的碳循环过程进行建模和预测,也有利于陆地生态系统碳管理和决策。当前土壤有机质领域的研究者普遍认为,MAOM主要来源于微生物残体,植物源贡献较低。想想粉黏粒具有的超大比表面积和遍布的吸附位点,故而应该能结合大量的小分子化合物形成有机无机复合体,这种观点自然获得大多数拥趸。然而,这种认识缺乏令人信服的定量证据。微生物生物标识物,特别是氨基糖,是用于估计微生物与植物对MAOM贡献的主要方法,但是这种方法也存在不足,比如:氨基糖仅为微生物细胞壁的组成成分,利用氨基糖标识物转化微生物残体的转化系数是在室内纯培养条件下获得的,这种转化系数在实际环境中存在较大不确定性,进而会导致依据此系数计算微生物残体的数量估算变异较大。另如,分子指纹图谱方法,包括核磁共振、py-GC/MS等等,也存在一些问题(Whalen et al., 2017, Global Change Biology)。因此,亟需其他独立的证据来研究MAOM中,植物与微生物对MAOM的相对贡献。

化学计量学是一个古老而年轻的话题。从无机化学到经济计量学,许多事物都存在着规律的计量关系,在生态学中亦是如此。例如,经典的海洋浮游生物Redfield 比值C:N:P稳定在106:16:1,营养级之间的能量比约为1:10,土壤碳氮比总在10:1附近徘徊,无不令人着迷。笔者导师,也是文章的通讯作者丁凡副教授在土壤-作物化学计量学领域深耕多年,摸清了长期施肥-覆膜等农艺措施对土壤元素周转和玉米养分吸收的C:N:P化学计量关系, 并最早在2018年产生了利用化学计量学解决植物源与微生物源对MAOM贡献难题的想法,假设:如果能证明MOAM的C/N等于微生物C/N,就证明了MAOM中微生物源的主导地位。

耕耘

说干就干,我们首先假设微生物生物量C/N与微生物残体的C/N接近,假如MAOM和微生物生物量的C/N无明显差异,则支持MAOM主要是由微生物残体形成的假设。若两者差异显著,则说明MAOM不仅来源于微生物残体,还来源于植物残体。我们也假设以POM代替植物残体C/N,因为若植物残体可以进入MAOM,首先形成颗粒有机质(POM,由未分解或半分解的植物残体组成)(图1)。借鉴同位素混合模型的思想(公式1),我们利用POM(植物残体)和微生物生物量(微生物残体)的N丰度(N/(C+N))作为端元,去定量微生物和植物残体对MAOM的贡献(f)(公式2,图1)。

 

fδB+(1-f)δA=δ        (公式1)

f × [N/(C+N)]Microbe + (1-f) × [N/(C+N)]POM = [N/(C+N)]MAOM     (公式2)

 

两个公式是不是很像?这里的N就类似稳定碳同位素计算外源碳占比里的13C数量,而C就相当于12C的数量。多么奇妙,但过程充满许多风险。一个典型例子是,有的人可能会问,为什么不用C/N,而用N/(C+N)表示呢?实际上我们一开始也是直接用的C/N,直到一位合作者——耶鲁大学的Mark Bradford教授提出用氮丰度可能更好一些。为什么会这样?我们经过推导发现,第一个公式的基础是建立在13C<<12C的条件上才成立的,但我们的C和N的差异不算大,如果用原来的思路会产生偏差!所以至此,我们的基础理论得以完善。

 

图1. 利用POM和微生物生物量组分氮丰度(N/(C+N))作为端元定量植物和微生物对MAOM贡献的示意图及一个示例

 

收获

有了明确的方向,我们的工作较为顺利(PS:数据收集和分析过程中仍面对很多问题),利用学术谷歌和Web of Science,最终搜集到了36篇同时报道了POM、MAOM和微生物生物量C/N的文章,并搜集其对应的气候(年均温、平均降水量)和土壤(黏粒含量、pH、SOC、总氮、土壤C/N)因子,共获得了288组数据。通过对比MAOM和微生物生物量的C/N的差异,我们发现MAOM的C/N显著高于微生物生物量,并介于POM和微生物生物量之间(图2),且MAOM与POM和微生物生物量之间存在显著的正相关关系(图3)。这些结果表明微生物残体不是MAOM的单一来源,而是由植物和微生物残体共同形成的。

综合不同生态系统、土壤类型和土层深度,微生物残体对MAOM的贡献在34-47%之间,而植物残体对MAOM的贡献在53-66%之间,森林和农田中的微生物贡献高于草地生态系统(图4a, 5c)。微生物残体对MAOM的贡献随土层深度的增加而增加(图4b, 5b,d)。随机森林分析发现,黏粒含量是影响微生物残体对MAOM贡献的首要因子(图6),表明微生物残体对MAOM形成的贡献可能在黏土和壤土中尤为重要。

 

图2. 总数据集 (a), 森林 (b),草地 (c),农田 (d)中POM,MAOM以及微生物生物量碳氮比的比较

 

图3. 总数据集 (a), 森林 (b),草地 (c),农田 (d)中MAOM与微生物(红色点),MAOM与POM(蓝色点)C/N之间的回归关系

 

图4. 不同生态系统和土层中微生物残体对MAOM贡献 (不考虑DOM对植物源MAOM的直接贡献)

 

图5.假设DOM对植物源MAOM的直接贡献分别为10% (a, b)和50% (c, d)时,不同生态系统(a, c)和土层(b, d)中微生物残体对MAOM贡献

 

图6. 气候和土壤性质对微生物对MAOM贡献的相对重要性的随机森林分析

 

结语

化学计量学方法的结果表明,在不同的生态系统背景下,微生物输入占MAOM的比例不超过50%。虽然我们的研究结果仍然强调微生物残体是MAOM的重要组成部分,尤其是在深层和黏粒含量高的土壤中,但它挑战了日益流行的微生物残体是MAOM的主要组成部分的观点。这一结果还强调未来仍需要其他独立的证据来定量区分植物和微生物对MAOM的贡献。虽然每种方法都有其局限性,但设计一套互补的方法(比如同时利用不同的生物标识物、同位素、C/N、化学组成等数据去定量同一土壤样本中微生物残体对MAOM的贡献)以便对植物和微生物对MAOM的贡献进行可靠的估计是至关重要的。这样的理解将有助于推进土壤有机碳动态的更可靠的理论阐释以及预测它们对气候变化的响应。

该文于2023年11月14日以“A stoichiometric approach to estimate sources of mineral-associated soil organic matter”为题被生态学领域期刊Global Change Biology(5年影响因子12.3)接收。沈阳农业大学博士研究生常艺为第一作者,丁凡副教授和汪景宽教授为共同通讯作者,共同作者包括美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Noah W. Sokol助理研究员、英国埃克塞特大学Kees Jan van Groenigen副教授、美国耶鲁大学Mark A. Bradford教授、沈阳农业大学博士生吉德昌、瑞士苏黎世联邦理工学院Thomas W. Crowther教授、中国科学院沈阳应用生态研究所梁超研究员、美国康奈尔大学骆亦其教授和德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授。

论文未排版版本链接:https://www.labxing.com/files/lab_data/629-1700632761-ESuGD6RM.pdf

编辑 | 常艺、吉德昌

审核 | 丁凡

Plant Soil文章:秸秆与其生物炭对团聚作用及碳氮闭蓄的影响对比

本文字数:1250字

阅读时间:4分钟

 

研究背景

秸秆还田或施用生物炭是破解耕地土壤肥力降低难题的有效途径,评价秸秆和生物炭对不同有机质水平土壤的团聚作用和微生物活性等方面性能更好地指导耕地保育。然而,目前对于秸秆及其衍生生物炭在微生物量、土壤团聚以及团聚体内的碳氮周转状况的理解并不充分。因此,配对比较秸秆及其衍生生物炭在土壤团聚体内碳氮稳定性等方面的规律差异可增强我们对两者在耕地保育工作中的理论认识。

材料与方法

向土壤中添加13C和15N双标记的秸秆和生物炭,并进行600天的室内培养,量化溶解性有机质、微生物量、团聚体中的碳氮源于秸秆和生物炭的比例。这里,我们选择了有机物料的类型(秸秆和生物炭)、用量(相当于实际还田量的1倍和2倍)、土壤有机质含量(低和高有机质水平,分别从不施肥、32年施有机肥小区中采集)三个因素进行探究。

结果&讨论

微生物量和溶解性有机质中的外源碳氮:秸秆来源的碳、氮对微生物生物量和溶解性有机质的贡献远高于生物炭(图1),支持了土壤有机质形成的“溶解性有机质-微生物”支路理论,即凋落物转化为土壤有机质部分是通过“溶解性有机质-微生物”途径完成的。此外,土壤有机质水平并非为决定外源碳氮进入微生物量和溶解性有机质中的关键因子。

图 1 培养第20天和200天时的外源碳氮占土壤微生物量碳氮、溶解性有机质碳氮的比例。注:Soil+1S和Soil+2S分别代表添加1倍和2倍秸秆处理,Soil+1B和Soil+2B分别代表添加1倍和2倍生物炭处理,下同。

团聚体数量及外源碳氮:与生物炭相比,100天内秸秆添加增加了土壤团聚体数量(图2,3)。秸秆添加量越大,更大比例的微团聚体转化为大团聚体(图2)。同时,秸秆来源的碳氮在土壤团聚体中的闭蓄量也远超生物炭(图4)。秸秆添加量越大,在各粒径团聚体中检测到的外源碳氮总量也越高(图4)。此外,秸秆或生物炭来源的C:N在团聚体中为5:1-20:1,并随团聚体粒径降低而降低(表2),表明较小粒径团聚体中的土壤有机质分解程度更高。就秸秆类型而言,尽管生物炭本身的C:N秸秆低(表1),添加生物炭的土壤团聚体中的外源C:N比秸秆大(表2)。这可能是因为秸秆添加后更多地形成团聚体的胶结剂,而生物炭添加后的团聚体主要通过生物炭表面与土壤颗粒之间的化学吸附相互作用形成。

图 2 培养600天内的土壤团聚体动态变化

图 3 培养600天内的土壤团聚体平均重量直径的动态变化

图 4 培养100天内进入土壤团聚体的外源碳氮数量

表 1 供试土壤、秸秆和生物炭基础性质

表 2 培养100天内进入土壤团聚体的外源C:N

小结

玉米秸秆及其衍生生物炭对土壤微生物的碳氮同化以及团聚体形成影响相反。秸秆添加短期促进了土壤团聚,相比之下,由于生物炭的难降解性,生物炭对土壤团聚无显著影响。秸秆和生物炭进入土壤团聚体的碳、氮动态规律具有同步性。

该文于2023年9月26日以“Contrasting effects of maize straw and its biochar on aggregation and soil organic matter stabilization”为题被Plant Soil期刊接收。沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者,博士生吉德昌为第一作者,沈阳农业大学汪景宽教授、葛丽炜硕士、安婷婷与李双异副教授、澳大利亚大学新南威尔士基础产业部Lukas Van Zwieten教授、德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授为共同作者。

论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-023-06313-y

编辑 | 吉德昌

审核 | 丁凡

 

 

 

 

EST文章:33年覆膜和施氮对玉米生长和土壤质量的遗留效应

本文字数:1828

阅读时间:6分钟

 

研究背景

     地膜覆盖是保障缺水或寒冷地区农业生产力的重要技术措施,为我国乃至全球粮食安全作出了巨大贡献。然而,地膜变成了“地魔”。地膜的广泛、持续使用导致农田中残留大量的塑料和微塑料。虽然许多研究表明,地膜或微塑料残留会抑制大田作物生长,但这些研究均是添加新鲜地膜碎片或微塑料来模拟塑料残留,并且微塑料的添加量都远高于真实土壤中的数量。真实覆膜土壤中残留的地膜碎片或微塑料都经过了多年的老化过程,塑料的物理(比如变脆)和化学性质(比如发生了氧化)都发生了巨大变化。因此,过去残膜或微塑料添加试验不能代表真实的地膜残留场景,可能会误判结果。

     为了模拟地膜残留的真实场景,作者2021年在33年持续覆膜玉米试验田中随机选择两垄停止覆膜(称作“过去覆膜”),与一直不覆膜处理进行比较,评估长期覆膜(残膜和微塑料残留)对玉米生长和土壤养分的遗留效应。同时,也评估了33年施用尿素氮肥(只施N肥)对农田生态系统的影响。

材料方法

      本研究基于沈阳农业大学长期(1987年设立)覆膜和施肥试验平台,在覆膜小区中随机选择两垄(5 m×2 m),在2021年停止覆膜,称作“先前覆膜”;从未覆膜的小区设为对照,称作“从未覆膜”。另外,实验设计中包括了氮肥因素的两个水平(不施氮和施氮135 kg N ha-1 yr-1)。所以,本研究共包括四个处理:不施氮-先前覆膜、不施氮-从未覆膜、施氮-先前覆膜、施氮-从未覆膜。生长季测定玉米六叶期、抽雄期及成熟期的地上、地下生长指标和土壤理化性质。

研究结果

      土壤指标:过去覆膜比从未覆膜表层土壤湿度高5−16%(图1a)。对于施N肥处理,过去覆膜土壤中NO3-含量远低于未覆膜土壤(图1d)。对于NH4+、有效磷(Olsen-P)、磷酸酶活性来说,过去覆膜和从未覆膜处理没有差异。施用氮肥比不施肥土壤湿度低5−16%(图1a),pH低1个单位(图1b)。与比不施肥处理相比,施用氮肥提高了NO3-含量(图1d),对NH4+没有影响(图1c),却降低了有效磷(Olsen-P)含量(图1e)。

图 1 生长期内的土壤湿度(a)、pH (b)、NH4+(c)、NO3-(d)、Olsen-P (e)含量和磷酸酶活性(f)。

玉米生长、产量、生育期:长期覆膜未对玉米的生长和产量造成负的遗留效应(图2、3、4)。长期反而在玉米幼苗期有积极的影响,体现在过去覆膜条件下玉米株高(图2a)、茎粗(图2b)、地上生物量(图2f)和总根长(图3a)高于一直不覆膜。由于在苗期的促进如用,长期覆膜会促进玉米早熟6~10天(图4)。RDA分析表明土壤湿度在调控长期覆膜对玉米苗期生长的促进作用,抽穗期和成熟期土壤水分不再是玉米生长的限制因素,因此没有表现出促进作用。

长期施氮对玉米生长造成了严重的磷限制(图1e,2,3,4)。长期施氮会降低土壤pH值(图1b),进而可能增加铁和铝矿物的溶解度,磷可通过与游离Fe3+和Al3+的再沉淀来降低土壤磷的有效性(图1e)。pH降低还可以增强铁/铝氢氧化物通过配体交换强烈吸附磷的能力。与土壤有效磷含量降低一致,施氮小区的玉米根磷含量较低(图3f)。然而,施氮诱导的缺磷现象仅在六叶期抑制玉米生长(图4),这一阶段施氮处理玉米叶片较低的叶绿素浓度也表明植株生长受到胁迫(图2c)。为抵御缺磷胁迫,施氮小区的玉米根系分泌了更多的磷酸酶以活化土壤磷(图3e)。在抽穗期和成熟期,施氮小区中的玉米地上和地下生物量最终恢复到与未施氮小区相同的水平(图2f,3d)。

       图 2 根系总长度(a)、总表面积(b)、总根体积(c)、生物量(d)、根系磷酸酶活性(e)、根系磷(f)。N0-PrevPFM不施氮-先前覆膜;N135-PrevPFM不施氮-先前覆膜;N0-NeverPFM施氮-从未覆膜;N135-NeverPFM施氮-从未覆膜;V6六叶期;VT抽雄期;R6成熟期。下同。

图 3 玉米产量(a),百粒质量(b),穗轴长(c),生长过程和蜡熟时间(d)

图 4 茎粗(a)、株高(b)、叶片叶绿素(c)、类黄酮(d)、氮平衡指数(e)、地上生物量(f)

图 5 (a) 六叶期 (b) 抽雄期 (c) 成熟期作物生长及土壤性质指标的RDA分析

小结

      尽管覆膜导致大量大塑料和微塑料积累在土壤中,但长期覆膜并未对土壤结构、玉米生长和产量造成负的遗留效应。长期施氮导致土壤pH降低1个单位,进而降低土壤有效磷含量,造成玉米生长早期出现暂时性缺磷现象。本研究第一次在野外真实场景下评价长期覆膜的遗留效应,挑战了当前地膜残留抑制大田作物生长的认知。未来研究应扩展到其它作物,以全面客观揭示长期覆膜对作物生长的遗留效应。

      该文于2023年5月31日以“Consequences of thirty-three years of plastic film mulching and nitrogen fertilization on maize growth and soil quality”为题被环境领域Top期刊Environmental Science & Technology接收。沈阳农业大学丁凡副教授为第一兼通讯作者,共同作者包括沈阳农业大学李双异副教授和硕士卢洁、美国农业部Chad J. Penn教授、中科院沈阳应用生态研究所王庆伟研究员和林贵刚副研究员、西班牙全球生态研究所Jordi Sardans和Josep Penuelas教授以及德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授,沈阳农业大学汪景宽教授为共同通讯作者。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c08878

编辑 | 卢洁、吉德昌

审核 | 丁凡

 

 

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