玉米马铃薯秸秆混合腐解的非加性效应 植物生态学报    2023, 47 (12): 1728-1738.   DOI: 10.17521/cjpe.2022.0339

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。

正文中引用本图/表的段落

选取影响秸秆分解的关键因子构建结构方程模型, 发现XS的分解率受到分解环境(铵态氮、溶解性有机碳和硝态氮含量)的直接或间接影响, 同时受微生物和秸秆C:N的控制(图7A)。玉米秸秆与混合秸秆类似, 并且在玉米秸秆中, 微生物还能通过对CH底物的利用来加快玉米秸秆的分解(图7B)。对于马铃薯秸秆而言, 土壤环境能直接或间接影响秸秆分解, 微生物多样性能直接促进秸秆分解, 或者微生物通过对碳源的利用来影响秸秆的分解(图7C)。

有机残体的分解受到自身质量和外界环境的影响, 而有机物C:N, 纤维素和半纤维素含量等是控制有机物分解的重要因素(张红等, 2019)。本研究中, 玉米秸秆C:N和马铃薯秸秆C:N存在差异(表1), 并且之前的研究也证实马铃薯秸秆和玉米秸秆的纤维素、半纤维素含量和结构并不相同(刘会影等, 2013; 安玉民等, 2016; 李欢等, 2022)。整个分解时期高质量的马铃薯秸秆分解率显著高于低质量的玉米秸秆(图2)。这与不同质量凋落物在森林生态系统中的分解结果(Li et al., 2017)是一致的。有趣的是, 玉米秸秆在玉米单作(原位分解环境)和马铃薯单作及间作(异位分解环境)中分解时, 原位环境并没有促进玉米秸秆分解和提高玉米秸秆微生物对碳源底物利用(即无主场优势, 图1和表4)。其原因可能是在分解袋填埋前, 我们对秸秆进行了烘干处理, 抑制了秸秆表面原生境中微生物的活性, 导致其在原位分解时失去了主场优势(Li et al., 2017; Lin et al., 2020)。玉米秸秆的分解受到了碳水化合物中D-赤藻糖醇和D, L-α-甘油的驱动(图6, 图7B), 而马铃薯秸秆的分解除了受到碳水化合物(D-木糖、N-乙酰基-D-葡萄胺、葡萄糖-1-磷酸盐)的驱动外, 还与D-半乳糖醛酸和肝糖有关(图6, 图7C)。这可能是高质量的马铃薯秸秆分解更快, 其微生物不仅利用了秸秆中易分解的成分(Benito-Carnero et al., 2021), 还利用了秸秆中难分解的部分(酚类化合物), 但是低质量的玉米秸秆分解比马铃薯秸秆慢, 在6个月的分解期内微生物主要利用秸秆中的易分解成分。这也证实了不同质量秸秆分解率是不一致的, 并且相对于低质量秸秆, 高质量秸秆分解更快。

本文的其它图/表

• 表1 玉米秸秆(MS)和马铃薯秸秆(PS)原样基本性质
  
• 表2 秸秆填埋前田间实验小区土壤基本化学性质
  
• 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。
  
• 表3 不同分解环境中混合秸秆的非加性效应
  
• 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)。
  
• 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)
  
• 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。
  
• 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。
  
• 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。
  
• 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。