Sci. Total Environ.丨水田土壤多功能性是由土壤酸碱度解释的而不是微生物多样性—八年重复施用生物炭和氮肥试验

论文内容

研究背景：

现代农业系统中过量施用化肥会造成环境污染、土壤质量下降和土壤生物多样性降低，而农业生产过程中会产生大量农业废弃物，农业废弃物热解产生的生物炭是一种环保型的土壤改良剂，由于生物炭具有较高的比表面积、孔隙度和表面电荷，因此应用生物炭可以改善土壤性质，改变养分动态，刺激土壤有益微生物的多样性，提高作物产量。虽然已有许多研究讨论了添加生物炭对农田土壤性质和养分转化过程的响应，但是很少有研究从土壤多功能性的角度分析生物炭添加对土壤的影响，特别是从长期添加生物炭的角度分析。本研究的主要目的是在生态系统服务框架内评估长期施用生物炭对农业土壤多种功能的综合影响，基于8年的田间试验，我们利用11个土壤功能变量和4个控制土壤功能的潜在因素的响应，比较了生物炭和施氮对土壤养分保持和循环的影响。旨在探明两个问题1）生物炭和施氮是否增强了土壤的多功能性2）土壤性质和真菌、细菌多样性的变化是否可以解释不同生物炭和施氮处理之间土壤多功能性的差异。

研究内容:

作者于2012-2019年在地处宁夏青铜峡市的业胜镇开展田间试验。实验设计为随机区组实验设计包含3个生物炭施用量[ 0 ( C 0 ) , 4.5 (C1),13.5 t ha−1 year−1(C2)]和2个施氮量[0 (N0)，300kg N ha−1 year−1 (N1, local conventional N application)]，小区面积为13m×5m，区块间距1.5m，每区块3次重复。

生物炭与氮肥互作显著影响了SOC、土壤硝态氮浓度、AP含量，而土壤铵态氮浓度不受影响，对soil C (BG), N (NAG, LAP), 和 P (ALP)循环酶，以及对土壤多功能性指数有显著影响，但在施氮条件下，与C0N1相比，施用生物炭对多功能性指数的提高不显著，但C2N1的多功能性指数高于C1N1，对于真菌与细菌而言生物炭与氮肥互作对细菌丰度有显著影响，真菌丰度则只受生物炭影响。

生物炭与氮肥互作显著影响土壤pH、土壤宏微团聚体百分比(0.053-2 mm)，在施氮条件下，随着生物炭用量的增加，土壤宏微观团聚体比例降低，但微团聚体比例呈增加趋势。在不施氮条件下，随着生物炭用量的增加，宏微团聚体含量先降低后升高。

TP、铵态氮、BG、LAP和ALP活性与土壤多功能性呈正相关，且SOC和TN与土壤多功能性呈极显著正相关, 随机森林模型解释了41.2%的土壤多功能性变异，其中SOC含量是最重要的影响因素,其中ALP、BG、LAP活性和ammonium-N也是重要的影响因素。

在四个驱动因素中，在4个驱动因素中，只有土壤pH与土壤多功能性呈负相关，宏微观团聚体、土壤真菌多样性和细菌多样性与土壤多功能性不显著相关。

Fig.1棉区水足迹示意图

Fig.2 中国棉区棉花总产量、种植面积、总水足迹及生产构成

Fig.3 2004 年、2011 年和 2018 年中国棉区棉花单产、水足迹和产量构成。HV:黄河流域棉区，YV:长江流域棉区，NWI:西北内陆棉区

Fig. 4   2004 年、2011 年和 2018 年中国棉区棉花生产绿水足迹、蓝水足迹、灰水足迹分布图

研究结论：

本研究表明，长期施用生物炭和氮肥有利于土壤固碳，提高土壤养分含量和养分循环能力。虽然不同生物炭和氮肥用量对土壤单项功能的影响存在差异，但长期施用生物炭和氮肥可改善土壤功能，增强土壤多功能性。生物炭和氮肥通过直接和间接(降低pH)作用共同决定了土壤的多功能性。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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