长期秋季混合萝卜与黑麦覆盖作物种植未改变玉米种植下土壤微生物碳循环动态

《Canadian Journal of Soil Science》：Long-term fall cover cropping with mixed radish and rye did not alter microbial soil carbon cycling dynamics under corn

　　

摘要：将覆盖作物纳入轮作体系具有诸多土壤健康效益，但关于其对微生物驱动的生物地球化学循环影响的研究仍较为有限。尽管先前研究观察到萝卜-黑麦覆盖作物的引入使微生物丰度有所增加，但本研究未发现其对可矿化碳（mineralizable C）产生显著影响。此外，研究人员未观察到添加葡萄糖或丙氨酸后葡萄糖利用的热力学效率或底物诱导呼吸（substrate induced respiration）发生变化；然而，在萝卜-黑麦覆盖作物处理下，添加糖原后底物诱导呼吸显著增强，表明微生物群落可能更适应分解较为复杂的碳底物。

长期覆盖作物种植对土壤微生物碳循环影响的研究解读

一、研究背景与科学问题

农业土壤是陆地碳（C）的重要储存库，也是几乎所有粮食、饲料和燃料生长的介质。由于农业土壤的重要作用，它们受到高度管理，若管理不善则可能随时间推移而退化。土壤健康与肥力同土壤有机碳（SOC）水平的提升密切相关。因此，识别能够改变碳循环以维持或改善碳储存、持久性和土壤健康的管理措施，对于持续养活不断增长的人口至关重要。

覆盖作物可延长土壤覆盖时间、提供碳输入并增加轮作中的物种数量，从而模拟更自然的生态系统。除土壤健康效益外，覆盖作物还能提高后续作物产量、减少侵蚀和养分流失、促进微生物活性增强，并可能导致SOC储量的增加。然而，这些效益在不同覆盖作物类型、地点或轮作频率之间并不一致。

此前在该试验点进行的土壤健康测定表明，与未种植覆盖作物的土壤相比，萝卜和黑麦覆盖作物在春季增加了土壤微生物丰度（92.7 vs. 75.8 nmol PLFA g^?1 soil），尽管统计上不显著。更大的微生物群落加上增加的碳输入，表明覆盖作物土壤中的碳循环可能发生改变。本研究旨在评估长期覆盖作物种植是否改变了微生物碳循环和可矿化碳。

二、研究内容与主要结论

本研究依托2007年在加拿大安大略省Ridgetown建立的长期覆盖作物试验，在典型经济作物收获后，于秋季播种萝卜（Raphanus sativus L.）和黑麦（Secale cereale L.）混合覆盖作物，春季终止，以随机完全区组设计设置四个重复，并设无覆盖作物对照。15年中有11年在谷类作物后种植覆盖作物。土壤样品于2022年6月20日在玉米（Zea mays L.）V4–V5期采集自0–15 cm土层，每小区用土钻随机采集20个土芯混合均质化。土壤有机碳采用LECO C632分析仪在1350 °C下干燃烧法测定。

研究结果表明，与同期研究一致，0–15 cm深度SOC浓度在无覆盖作物（noCC）处理（19.3 ± 1.4 mg OC g^?1 soil）和萝卜-黑麦混合覆盖作物（RadishRye）处理（20.7 ± 0.9 mg OC g^?1 soil）之间无显著差异，这可能归因于RadishRye处理中来自易分解碳输入的激发效应增强。在50天培养期内，noCC土壤矿化了0.22 ± 0.02 mg CO₂-C g^?1 OC，而RadishRye土壤矿化了0.21 ± 0.01 mg CO₂-C g^?1 OC，二者无显著差异。等温量热法测定显示，基础热量呼吸比和葡萄糖利用的热力学效率在两种处理间均无差异，表明两种微生物群落在利用易分解碳方面的能量效率无显著差别。

在底物诱导矿化实验中，以相对于各土壤SOC含量的比例（23.5 μg C mg^?1 OC）添加底物，确保两种土壤中的微生物生物量接受相似的碳暴露量。葡萄糖和丙氨酸添加后，noCC与RadishRye土壤间的底物诱导矿化无差异，表明两种群落均未受氮限制。然而，RadishRye土壤在糖原添加后产生了显著更多的CO₂。糖原是一种分支葡萄糖聚合物，需经胞外酶分解为葡萄糖单体后才能被微生物细胞同化。RadishRye土壤对糖原底物诱导矿化的增强反映了该群落催化更复杂碳底物的能力差异，也可能表明两种微生物群落间碳利用效率（CUE）存在差异。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：一是封闭容器培养法（closed-vessel incubation），用于测定添加葡萄糖、丙氨酸和糖原底物后的底物诱导矿化及潜在可矿化碳；二是等温微量热法（isothermal calorimetry），用于评估微生物群落在分解土壤原有有机质和添加葡萄糖过程中的能量效率，并据此计算热力学效率（η_eff）；三是熏蒸-提取法（fumigation–extraction method）测定微生物生物量碳（MBC）；四是微生物代谢商（qCO₂）的计算；五是采用重复测量线性混合效应模型和单因素方差分析（ANOVA）进行统计分析。

四、结果与讨论

SOC浓度与可矿化碳： 与同期研究一致，0–15 cm深度SOC浓度在noCC与RadishRye处理间无显著差异。50天培养期内两种土壤的可矿化SOC也无显著差异。尽管已有研究发现覆盖作物土壤在15 cm以下具有更高的SOC且以颗粒有机物（POM）形式储存的比例更大，而POM比矿物结合态有机质更易分解，但在实验室条件下未观察到矿化碳的差异。

热力学效率与热量呼吸比： 基础热量呼吸比在两种处理间无差异，该比值可指示SOC的热稳定性和/或微生物代谢的变异性，比值越大表明碳代谢过程中的能量效率越低。葡萄糖利用的热力学效率在noCC与RadishRye土壤间亦无差异，表明两种微生物群落在利用易分解碳方面的能量效率相当。

底物诱导矿化： 葡萄糖和丙氨酸添加后的底物诱导矿化在两种土壤间无差异，表明两种群落均未受氮限制。但RadishRye土壤在糖原添加后产生了显著更多的CO₂，反映了该群落催化更复杂碳底物的能力差异，或表明两种微生物群落间碳利用效率存在差异。

讨论： 作物轮作的时序效应可能对实验室实验期间微生物群落功能产生影响。土壤采集于玉米生长季，所有处理均有活跃生长的植株。以往研究比较长期单作玉米与玉米-大豆-小麦轮作下的土壤微生物组，发现其微生物群落组成差异少于预期，而过去的管理效应主要反映为SOC数量和质量的变化，表明当前作物对活跃微生物组具有主导影响。若在覆盖作物还田后立即采集土壤，结果可能有所不同。RadishRye土壤对糖原而非葡萄糖或丙氨酸的差异化响应，表明其在催化更复杂碳底物方面的能力发生了转变，但总体而言，在实验室理想条件下，微生物碳循环动态和群落整体代谢能力几乎没有改变。田间条件下更直接反映土壤环境差异的因素可能导致两种体系间碳周转出现更大分歧。

五、研究结论

尽管混合萝卜-黑麦覆盖作物提供了更多且更多样化的碳输入，长期覆盖作物种植并未改变碳矿化的潜力。然而，萝卜-黑麦覆盖作物确实改变了糖原添加后的微生物CO₂呼吸，这可能表明复杂碳底物循环存在差异或微生物群落间碳利用效率存在变异性。而添加葡萄糖和丙氨酸等易分解碳底物并未在覆盖作物土壤中诱导更强的CO₂呼吸，覆盖作物也未改变微生物群落的热力学效率。总体而言，本研究结果表明，采用覆盖作物种植实践不会因微生物群落被激发或微生物碳循环改变而导致SOC储量下降。该研究发表于《Canadian Journal of Soil Science》。