【原】【文献解读|秸秆还田条件下微生物残体对减少施肥的动态响应】

科白君 2021-12-03

展开全文

The first step is always the hardest.

"文献解读"专题·第15篇

编辑 | 飞鸟

3406字 | 8分钟阅读

文章信息

原名：Dynamics ofmicrobial necromass in response to reduced fertilizer application mediated bycrop residue return

译名：秸秆还田条件下微生物残体对减少施肥的动态响应

期刊：Soil Biology andBiochemistry

2020年影响因子：7.609

5年影响因子：8.312

接收时间：2021年11月

第一作者：Xuesong Ma

通讯作者：Hongbo He, Chao Liang

第一单位：中国科学院沈阳应用生态研究所

DOI:https:///10.1016/j.soilbio.2021.10851

导读

了解土壤微生物源氮(N)对N素有效性的响应对优化N肥管理至关重要。在本研究中，基于保护性耕作农业生态系统中氨基糖生物标志物的测定，我们评估了3年化肥减N(从240减少到190、135、0 kg N ha⁻¹)和作物秸秆还田对微生物残体N动态的影响。微生物残体N储量随N输入的减少而下降，其中细菌残体的下降幅度大于真菌残体。然而，停止施肥后微生物残体N减少了7.3%，表明微生物残体虽然对土壤N素需求具有补偿能力，但在土壤N素保留中起主导作用。玉米秸秆还田通过优先提高真菌残体的净积累，缓解了土壤-作物系统的N素缺乏，有利于土壤有机N库的维持。

材料与方法简介

本试验是在东北地区的一个免耕农业系统中进行的。从2008年开始，玉米秸秆全部还田(平均7.5 Mg ha⁻¹)，当地施N量为240 kg ha⁻¹ y⁻¹。2016年采用裂区设计进行4个重复的减肥试验。尿素分别在0 (N0)、135 (N135)、190 (N190)和240 kg N ha⁻¹ (N240)下去除玉米秸秆(S0)或全部还田(S100)。2018年10月采集深度为0-20 cm的土壤样品。用氯化钾提取新鲜土壤进行铵态N和硝态N分析。土壤和玉米组织的N含量采用元素分析仪(vario MACRO cube, Elementar analysensystemgmbh,Germany)测定。根据Zhang和Amelung(1996)的方案分析土壤氨基糖，即葡萄糖胺(GluN)，半乳糖胺和胞壁酸(MurN)。根据真菌来源的GluN和MurN含量估算真菌和细菌残体，转化因子分别为1.40和6.67，将两者合计为微生物残体(kg ha⁻¹)。采用Duncan post hoc test的双因素方差分析(two-way ANOVA)检验施肥和作物残茬对微生物残体、土壤矿质N、玉米产量和N素吸收变化的影响，然后采用IBM SPSS 20.0检测交互效应时用LSD test进行简单效应检验。

主要结果

经过6年玉米秸秆全部还田的保护性耕作，0-20 cm深度的微生物残体N储量达到最大值，S100N240处理保持不变(图1a)。在这种情况下，微生物残体对土壤N库(3900 kg ha⁻¹)的贡献约为61%(图S1a)，证实了微生物残体在N存储中的突出作用。240 kg ha⁻¹施N量与玉米秸秆去除处理(S0N240)，地上部玉米生物量对N的吸收约占总输入量的74%，土壤中的NO₃⁻-N含量(36.4 mg kg⁻¹，图2b)相对于当地6-40 mg kg⁻¹的范围处于较高水平(36.4 mg  kg⁻¹，图2b)，表明存在N淋失的潜在风险。连续3年将N肥用量减少到190 kg ha⁻¹对玉米产量没有影响，但总N输入为688.37 kg ha⁻¹，略低于去除玉米秸秆后的作物吸收(图2d和S2)。除NO₃⁻-N含量略有下降(图2)外，微生物残体N储量与S0N240处理无显著差异(图1b)，这表明在不消耗稳定的微生物残体的情况下，可以弥补作物需求的N不足。

图1 从2008年到2018年收获的玉米秸秆全部还田条件下0-20 cm微生物残体N储量 (a)；不同施N量下微生物残体N对秸秆还田的响应(b)；真菌和细菌残体N的相对变化，以及N240处理下真菌和细菌残体N储量(c)。星号表示与常规施肥(240 kg N ha⁻¹)下的值有显著差异。

Fig. 1 The stock of microbial necromass N from 2008 to 2018 at a depth of 0–20 cm with full return of the harvested maize residue(a); microbial necromass N response to crop residue return under different N fertilizer rates (b); the relative changes of fungal and bacterial necromass N, and stocks of fungal and bacterial necromass N in N240 treatments (c). Asterisks denote significant differences from the values under the conventional fertilizer application rate (240 kg N ha⁻¹).

去除玉米秸秆后当施N量减少到135 kg ha⁻¹，维持玉米生长所需的输入N缺乏估计为161 kg ha⁻¹(图2d)，与S0N240处理相比，微生物残体N减少了102 kg ha⁻¹(图1b)。在S0N0处理中，N缺乏高达342 kg ha⁻¹，尽管玉米产量从处理第二年开始下降(图S2)，但微生物残体N的下降量为171 kg ha⁻¹。显然，微生物残体的减少与作物吸收N的缺乏呈正相关(r = 0.58,p = 0.05)，与我们的假设一致。然而，即使玉米产量急剧下降，微生物残体N储量仅下降4.4%-7.3%，且下降量明显低于N的缺乏(图S2c)。综合来看，这些发现不仅证实了微生物残体通过分解补偿作物对N的需求的能力，而且阐明了微生物残体在土壤N保持中的优先作用。更重要的是，作物的可持续生长不能仅仅依赖于土壤N库的矿化；相反，微生物残体的显著减少本质上意味着土壤生产力的下降。

图2 在不同施N量和秸秆还田处理下NH₄⁺-N (a)、NO₃⁻-N (b)的变化，玉米N素吸收(c)和2016-2018年累积N输入(秸秆N+肥料N+沉降N+非共生固N)与地上部N吸收的相对变化(d，数据如表S2所示)。误差棒代表标准误(n = 4)。不同大写字母表示不同施肥处理间差异显著。不同小写字母表示各肥料N施用量下秸秆还田处理差异显著。

Fig. 2 Changes in NH₄⁺-N(a), NO₃⁻-N (b), and N uptake by maize (c), relative changes between cumulative input (stover N + fertilizer N + deposited N + asymbiotic N fixation) and aboveground uptake of N from 2016 to 2018 (d) under different fertilizer N application rates and crop residue return treatments. Error bars represent standard error (n = 4). Different uppercase letters indicate significant differences among fertilization treatments. Different lowercase letters indicate significant differences between crop residue treatments under eachfertilizer N application rate.

在玉米秸秆还田的小区中，即使不施N，微生物残体N储量在试验期间也没有显著变化(图1b)。在玉米秸秆还田的同时增加N肥投入，显著缓解了作物对N肥的需求不足，但通过提高产量来平衡微生物残体的分解。与去除相比，玉米秸秆还田对所有施肥处理的NH₄⁺-N水平没有影响，但显著降低了NO₃⁻-N含量(图2a和b)，表明提高C的有效性增强了微生物对N的固定化，竞争性地抑制了硝化作用。因此，玉米秸秆还田提高了土壤的N素保留效率，降低了土壤N素损失潜力。

图S1 不同施氮量和秸秆还田处理下微生物残体N占土壤总N的比例(a)、真菌残体N (a)和细菌残体N(b)。不同大写字母表示不同施肥处理间差异显著。不同小写字母表示各肥料N施用量下秸秆还田处理差异显著。

Fig. S1 Proportion of total microbial necromass N in total soil N (a), stocks of fungal (a) and bacterial necromass N(b) in different fertilizer N application rates and crop residue returntreatments. Different uppercase letters indicate significant differences among fertilization treatments. Different lowercase letters indicate significant differences between crop residue treatments under each fertilizer N application rate.

去除玉米秸秆后，细菌(p < 0.001和真菌(p = 0.092)残体N在3年的实验中与肥料减少呈正相关，但真菌残体N的减少幅度较小(图1c；S1b, c)。这种模式可能部分归因于真菌残体比细菌残体具有更高的抵抗性。与去除处理相比，在3个减少施肥处理中，玉米秸秆还田均减轻了细菌残体N的下降，同时更大程度地增加了真菌残体N的积累(图1c)。这主要与真菌对难降解基质的更强的竞争力有关。因此，在减少施N量的条件下，玉米秸秆还田促进了微生物残体中N的储存，有利于微生物残体库的稳定。

图S2 2016-2018年玉米产量对施氮量和秸秆还田处理的响应。误差棒代表标准误(n = 4)，不同字母表示施肥处理间差异显著。

Fig. S2 Maize yield response to fertilizer N application rates and crop residue return treatments from 2016-2018. Error bars represent standard error (n = 4). Different letters indicate significant differences among fertilization treatments.

结论

土壤微生物残体对C和N状态变化的响应表明其在N供应和维持中都起着关键作用，但后者的作用占主导地位。土壤-作物系统在缺N条件下，细菌残体N易于降解，而真菌残体N主要影响土壤N库的稳定性。从本质上说，这表明不施N时土壤微生物残体N储量减少，土壤生产力下降。秸秆还田通过优先增加真菌残体的净积累，缓解了植物需求的N缺乏，抵消了微生物残体N储量的下降，从而有利于N在微生物残体中保留，提高了微生物残体库的稳定性。

亮点：

1、微生物残体动态变化受N和C的有效性交互控制。

2、微生物残体分解供给土壤N。

3、细菌残体比真菌残体在N缺乏下更易降解。

4、玉米秸秆还田有利于微生物残体N的保留和稳定。

参考文献：

Ma, X., Zhang, W., Zhang, X., Bao, X.,Xie, H., Li, J., He, H., Liang, C., Zhang, X., Dynamics of microbial necromassin response to reduced fertilizer application mediated by crop residue return,Soil Biology and Biochemistry (2021), doi:https:///10.1016/j.soilbio.2021.108512.