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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