玉米马铃薯秸秆混合腐解的非加性效应
陈林康, 赵平, 王顶, 向蕊, 龙光强
植物生态学报
2023, 47 ( 12):
1728-1738.
DOI: 10.17521/cjpe.2022.0339
有机残体混合分解对陆地生态系统物质循环至关重要, 但关于农田生态系统中混合秸秆分解过程的研究仍较缺乏。该研究在玉米(Zea mays)单作、马铃薯(Solanum tuberosum)单作和玉米马铃薯间作小区实验中, 设置了为期6个月的玉米秸秆、马铃薯秸秆和玉米马铃薯混合秸秆分解袋填埋实验, 通过Biolog-Eco微平板法分析秸秆类型和分解环境对秸秆微生物碳代谢活性的影响。结果表明, 马铃薯秸秆和玉米秸秆混合对分解过程产生了协同效应, 混合秸秆的分解率和微生物代谢活性高于单一秸秆, 增加了微生物对碳水化合物和羧酸类底物的利用。这种协同效应随时间延长而削弱。随机森林模型和结构方程模型分析表明, 土壤中溶解性有机碳、硝态氮、铵态氮含量以及秸秆碳氮比是驱动秸秆分解的重要因素。总之, 秸秆混合促进秸秆分解。
分解环境
Decomposition
environmental | pH | 土壤有机质含量
SOM content
(g·kg-1) | 全氮含量
TN content
(g·kg-1) | 全钾含量
TK content
(g·kg-1) | 全磷含量
TP content
(g·kg-1) | 速效钾含量
AK content
(mg·kg-1) | 速效磷含量
AP content
(mg·kg-1) | 硝态氮含量
Nitrate nitrogen content
(mg·kg-1) | 铵态氮含量
Ammonium nitrogen content
(mg·kg-1) | | 间作 Intercropping | 7.3 | 22.88 | 1.72 | 12.99 | 0.17 | 130.11 | 4.33 | 7.54 | 2.52 | 玉米单作
Maize monoculture | 7.5 | 23.64 | 1.46 | 16.44 | 0.24 | 149.84 | 4.52 | 10.76 | 2.35 | 马铃薯单作
Potato monoculture | 7.6 | 20.95 | 1.06 | 12.29 | 0.20 | 121.99 | 5.30 | 7.87 | 2.37 |
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表2
秸秆填埋前田间实验小区土壤基本化学性质
正文中引用本图/表的段落
分解袋填埋实验包括分解环境和秸秆类型两个处理。秸秆类型有3种, 包括马铃薯(Solanum tuberosum)秸秆(PS)、玉米(Zea mays)秸秆(MS)和玉米、马铃薯混合秸秆(XS); 分解环境包括玉米单作(M)、马铃薯单作(P)和玉米/马铃薯间作(I) 3种, 每个处理3次重复(n = 3)。小区面积为32.5 m2 (5 m × 6.5 m)。实验开始前, 测定秸秆原样的基本性质(表1)和表层土壤(0-15 cm)的基本性质(表2)。
分解3个月时, 混合秸秆和马铃薯秸秆整体分解率显著高于玉米秸秆, 同时在3种分解环境中混合秸秆和马铃薯秸秆分解率也表现出相似规律(图2A)。分解6个月时, 同样也表现出混合秸秆和马铃薯分解率显著高于玉米秸秆, 两种单作环境中也呈现相似趋势(图2B)。
本文的其它图/表
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表1
玉米秸秆(MS)和马铃薯秸秆(PS)原样基本性质
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图1
秸秆分解袋填埋示意图。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。
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表3
不同分解环境中混合秸秆的非加性效应
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图2
不同时期秸秆分解率变化(平均值±标准差)。I, 玉米马铃薯间作; M, 玉米单作; P, 马铃薯单作。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。不同大写字母表示不同分解环境同种秸秆分解率差异显著; 不同小写字母表示不同秸秆同一分解环境下秸秆分解率差异显著; 星号表示不同秸秆间分解率差异显著(**, p < 0.01; ***, p < 0.001)。
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表4
培养120 h秸秆降解微生物平均颜色变化率(AWCD)、Simpson指数和Shannon-Wiener指数(平均值±标准差)
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图3
秸秆微生物对单一碳源的利用率。AA, 氨基酸; AM, 胺类; CA, 羧酸; CH, 碳水化合物; PA, 酚类化合物; PM, 多聚物。I, 玉米马铃薯间作; M, 玉米单作; P, 马铃薯单作。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。
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图4
不同秸秆(A、B)和不同分解环境(C、D)下单一碳源利用率(平均值±标准差)。不同小写字母表示不同处理下同种碳源含量差异显著(p < 0.05)。AWCD, 孔平均颜色变化率。AA, 氨基酸; AM, 胺类; CA, 羧酸; CH, 碳水化合物; PA, 酚类化合物; PM, 多聚物。I, 玉米马铃薯间作; M, 玉米单作; P, 马铃薯单作. MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。
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图5
秸秆分解率与单一碳源的相关性热图。SDR, 秸秆分解率。AA, 氨基酸; AM, 胺类; CA, 羧酸; CH, 碳水化合物; PA, 酚类化合物; PM, 多聚物。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。
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图6
马铃薯秸秆、玉米秸秆和混合秸秆分解率驱动因素的随机森林回归模型分析。图中仅展示了|均方误差| ≥3.0%的驱动因子。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。AN, 铵态氮含量; AP, 速效磷含量; DGA, D-半乳糖醛酸; DL, D,L-a-甘油; DOC, 溶解性有机碳含量; DX, D-木糖; GL, 肝糖; GP, 葡萄糖-1-磷酸盐; I-a, I-赤藻糖醇; NADG, N-乙酰基-D-葡萄胺; NN, 硝态氮含量。*, p < 0.05; **, p < 0.01。
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图7
土壤性质、碳源和腐解秸秆碳氮比(C:N)对混合秸秆(A)、玉米秸秆(B)和马铃薯秸秆(C)分解率(SDR)影响的结构方程模型。实线表示负相关(蓝色)和正相关(红色), 虚线表示相关性不显著。AN, 铵态氮含量; DOC, 溶解性有机碳含量; NN, 硝态氮含量。MD, 微生物功能多样性, 用Shannon-Wiener指数和Simpson指数表示; CH, 碳水化合物, 用来I-赤藻糖醇(I-a)和D, L-a-甘油(DL)表示; CG, 碳源。GFI, 拟分优度指数; RMSEA, 均方根近似误差。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。PCA1, 马铃薯秸秆中D-木糖、N-乙酰基-D-葡萄胺、葡萄糖-1-磷酸盐、D-半乳糖醛酸和肝糖的第一主成分。
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