有机物料的应用是农田生态系统中常见的管理实践，是增强土壤结构和土壤肥力以及改善土壤有机碳固存的最佳选择之一。农田土壤中的有机碳固存对于缓解气候变化非常重要，当添加的碳长期固定在土壤中而不是以二氧化碳的形式输出到大气中时，其发挥着碳汇效应。但输入的碳矿化或因激发效应导致土壤原有碳的矿化，会使农田土壤成为碳源。因此，评估施用有机物料后土壤有机碳库的响应非常重要。植物可从深层土壤中吸收大量的养分和水分，通过深层注入有机物有望改善深层土壤质量，可提高其养分和水资源的利用率，有助于维持甚至提高农业生产力，探究深层土壤碳库对有机物注入的响应对于评估农田土壤碳固存效益至关重要。

图1 研究区位图和田间试验设计。注：本研究结果来自对照组(1)和处理组(3-8)，试验设计图中的阴影区域是为机器操作而保留的区域。

针对上述科学问题，四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室青年教师杜磊总结其在德国波恩大学学习期间开展的科研工作，与德国波恩大学Wulf Amelung教授等人合作，通过开展田间试验（图1），分别将不同质量的有机堆肥（Bio- and Green-waste compost，其碳氮比不同）以三种施用量（3、5和7 kg m^-1）注入深层土壤中（30-60 cm）。并分析了表层（0-30 cm）和深层（30-60 cm）土壤有机碳组分、土壤呼吸及其温度敏感性（Q10）和微生物残体碳的变化特征，结果发现：

（1）深层注入有机堆肥在增强土壤有机碳稳定性的同时也加速了土壤呼吸速率

 注入Bio- and Green-waste compost后，深层土壤碳储量分别增加了54%和52%，Q10值也分别增加了20%和32%（图2）。但注入有机堆肥也导致了表层和深层土壤呼吸速率平均增加了78%左右，这主要是由于土壤营养物质和不稳定碳随着有机堆肥的注入增加所致。有趣的是，我们的结果发现土壤呼吸速率并没有随着堆肥注入量的增加而显著增加，而两类有机堆肥间存在较大差异，说明深层注入有机堆肥对土壤呼吸的影响主要取决于其质量而并非数量。两种有机堆肥带入的有机物质量差异，特别是在微生物降解性方面，是两种堆肥注入后深层土壤呼吸速率发生变化的主要原因。

图2 对照和深层注入不同用量（Min, 3 kg m^{− 1}；Med, 5 kg m^{− 1}；Max, 7 kg m^{− 1}）的Bio- (B)或Green-waste (G)样地表层（0–30 cm）和深层（30–60 cm）土壤呼吸的Q10值。注：箱内横线表示三个田间重复的平均值，红点表示单个值。不同的字母表示对照地块和深层注入有机堆堆肥的样地之间存在显著差异（P ≤ 0.05）。

（2）深层注入有机堆肥主要促进了真菌相关的碳稳定途径来提升碳库稳定性

越来越多的研究表明，稳定碳对温度升高的敏感性高于活性碳，因此注入有机堆肥后深层土壤增高的Q10可能反映了其碳库稳定性有所增强。进一步分析发现，水溶性碳（HWC）和氮（HWN）这类活性组分主要间接影响了微生物残体碳的累积进而解释Q10值的部分变化（图3），大量活性较高的碳氮可能会刺激土壤微生物活动，从而增加微生物残体的积累。由于微生物残体被认为是一类相当稳定的碳，贡献了增强的土壤呼吸温度敏感性。作为易得的底物，这类活性较高的碳氮可能优先促进微生物快速生长，而这些微生物通常对温度不太敏感，从而限制了它们对温度敏感性的直接贡献。值得注意的是，在本研究中，Q10值仅与真菌残体碳含量显著相关，而非细菌残体碳，表明深层注入有机堆肥主要是促进了真菌相关的碳稳定途径来提升碳库稳定性。

图3 基于PLS-PM探究活性有机碳氮（HWC与HWN）、细菌残体碳、真菌残体碳和重组有机碳对深层土壤Q10的影响。

以上成果发表在土壤科学权威期刊Soil & Tillage Research（中科院一区，IF = 6.1）期刊上，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.still.2024.106325。该研究由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，资助项目为“Soil as a Sustainable Resource for the Bioeconomy - BonaRes, project BonaRes (Module A): BonaRes Center for Soil Research, subproject Sustainable Subsoil Management – Soil³”（grant no. 031B1066A）。同时，杜磊也特别感谢中国国家留学基金委的资金支持。

                                                                                                                                                         撰稿：杜磊

审核：杨存建

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