玉米大豆根茬混合后的腐解特性*

王 莉, 周 濤, 劉 婷, 武云霞, 杜勇利, 李淑賢, 高 陽, 覃思思, 溫冰消, 黃家樂, 劉衛(wèi)國**, 楊文鈺**

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玉米大豆根茬混合后的腐解特性*

王 莉1, 周 濤1, 劉 婷1, 武云霞2, 杜勇利1, 李淑賢1, 高 陽1, 覃思思1, 溫冰消1, 黃家樂1, 劉衛(wèi)國1**, 楊文鈺1**

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 成都 611130; 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所 成都 611130)

玉米/大豆套作可顯著提高糧食產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。研究間套作作物根茬分解、養(yǎng)分釋放規(guī)律及其對土壤生物學(xué)特性的影響, 對闡釋該系統(tǒng)中作物養(yǎng)分高效利用具有重要意義。本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)方式, 控制根茬總量為2%(2 g根茬+98 g土壤), 分別設(shè)置單獨的大豆根茬(S)和玉米根茬(M)及兩種根茬按3∶1、1∶1和1∶3混合(分別表示為SM 3∶1、SM 1∶1和SM 1∶3)共5個不同根茬配比處理和1個不加根茬處理(CK), 動態(tài)測定根茬礦化速率, 碳、氮含量和土壤微生物量碳等指標(biāo)。研究結(jié)果表明: 培養(yǎng)前9 d, 根茬礦化速率最快, 而后礦化速率逐漸降低, 到培養(yǎng)60 d后所有處理根茬礦化速率趨于穩(wěn)定。整個培養(yǎng)周期內(nèi)玉米根茬CO2累積釋放量顯著高于大豆根茬處理, 但SM 1∶3處理的CO2累積釋放量始終高于其他處理。培養(yǎng)結(jié)束后, SM 1∶3處理的有機(jī)碳礦化量顯著高于其他處理。根茬總碳含量在前10 d無顯著變化, 10~60 d時顯著降低, 后趨于平穩(wěn)。培養(yǎng)結(jié)束后SM 1∶3處理的根茬碳含量相比初始值降低最多, 降幅達(dá)到24.8%, 其次是玉米根茬(M)處理, 降幅為21.4%, 大豆根茬(S)處理碳含量降低最少, 為9.7%。根茬總氮含量在前10 d顯著降低, 10~100 d總氮含量顯著增加。培養(yǎng)結(jié)束后大豆根茬(S)總氮含量最高, SM 1∶3處理總氮含量最低。土壤微生物量碳含量在培養(yǎng)周期內(nèi)呈先增加后降低而后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律。培養(yǎng)結(jié)束后與CK相比, SM 1∶3、SM 1∶1、M、S和SM 3∶1處理的土壤微生物量碳含量分別增加89.4%、58.8%、47.1%、41.2%和37.5%。因此, 玉米、大豆根茬混合后在土壤中的礦化速率、養(yǎng)分釋放速率明顯高于單一根茬處理, 且有利于土壤微生物的繁殖。在本試驗所選的3種配比中, SM 1∶3的配置效果最佳。

玉米; 大豆; 根茬腐解; 養(yǎng)分釋放; 土壤微生物量碳

間套作是一種基于生物多樣性的生態(tài)農(nóng)業(yè)種植體系, 在緩解糧食安全、保持土地可持續(xù)利用方面起到重要作用[1]。大量研究表明, 間套作不僅能提高糧食產(chǎn)量, 還能高效利用氮、磷等養(yǎng)分, 維持土壤肥力[2]。長期研究發(fā)現(xiàn), 禾本科與豆科植物套作不僅能提高磷肥的利用效率, 同時能維持土壤磷含量在合理水平, 有利于土地資源可持續(xù)利用[3]。同時, 豆科植物與禾本科植物間套作, 受益于二者根系互作, 禾本科作物吸收豆科植物根際氮素, 解除由于高氮對豆科植物結(jié)瘤形成的氮阻遏現(xiàn)象, 從而提高整個體系的氮肥利用效率[4-5]。作物間的根系互作不僅直接有利于其養(yǎng)分吸收, 也通過調(diào)控土壤微生物群落促進(jìn)土壤養(yǎng)分活化進(jìn)而有利于植物吸收[6]。目前, 大量的研究致力于解析間套作作物間根系互作對整個體系增產(chǎn)增效的機(jī)理[2]。但是間套作體系下關(guān)于作物根茬分解、養(yǎng)分釋放影響土壤生物化學(xué)特性變化的研究較少。間套作體系相對單作增加碳的固定主要來源于根系碳固定的貢獻(xiàn)[7], 根系中碳氮又是影響根系分解、養(yǎng)分釋放的主要因素。因此研究間套作作物根茬分解、養(yǎng)分釋放對理解間套作土壤養(yǎng)分變化規(guī)律具有重要意義。

根茬是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)物歸還的主要來源。禾本科與非禾本科間套作系統(tǒng)中, 作物根茬分解可能受由高質(zhì)量和低質(zhì)量殘茬不同組分混合的互作, 增加其養(yǎng)分釋放、轉(zhuǎn)化[8]。衡量殘茬質(zhì)量的指標(biāo), 包括C/N比、木質(zhì)素、纖維素含量等, 將不同的殘茬混合, 會產(chǎn)生“殘茬混合效應(yīng)”, 即與單獨殘茬的平均礦化速率相比, 不同殘茬混合后會促進(jìn)或者抑制殘茬自身的礦化分解[9-10]。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在兩種不同質(zhì)量的根茬混合后的分解過程中[9], 如氮豐富的殘茬會促進(jìn)氮不足的殘茬礦化[11-13]。在我國西南地區(qū)大力推廣的玉米(L.)/大豆(L.)套作體系中, 玉米大豆僅共生35 d左右, 玉米收獲后大豆單獨生長100 d左右, 玉米根茬養(yǎng)分釋放和對根區(qū)土壤環(huán)境的改變極大地影響著大豆的生長和養(yǎng)分吸收。同時在間套作體系中采用分帶輪作的方式(即: 前茬為玉米后茬為大豆, 如此往復(fù)), 作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收優(yōu)于長期定位種植。研究表明, 玉米大豆根茬的碳氮比差異較大, 其分解速率存在較大差異。因此研究玉米與大豆根茬混合后的分解、養(yǎng)分釋放規(guī)律, 對于理解玉米大豆套作體系土壤養(yǎng)分變化、養(yǎng)分供應(yīng)具有重要意義。

本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)的方式, 將玉米和大豆根茬按不同比例混合后添加于長期種植玉米大豆套作的土壤中進(jìn)行培養(yǎng)。通過測定根茬的分解速率, 碳、氮含量變化, 以及土壤微生物量碳變化, 探討間套作體系下作物根系分解、養(yǎng)分釋放的規(guī)律, 為豐富禾本科與豆科間套作體系土壤肥力可持續(xù)理論作貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

以不同的玉米大豆根茬配比為研究因素, 同時設(shè)不加根茬的土壤作為對照, 設(shè)單獨的大豆(S)、玉米(M)根茬, 及大豆玉米根茬按3∶1(SM 3∶1)、1∶1(SM 1∶1)、1∶3(SM 1∶3)比例混合培養(yǎng)以及不加根茬(CK)的空白對照, 共6個處理, 每個處理重復(fù)3次。培養(yǎng)試驗開始前測定土壤含水量, 加蒸餾水至含水量為土壤田間持水量的80%, 預(yù)培養(yǎng)15 d以恢復(fù)土壤微生物活性。稱取土樣98 g(按烘干土計算), 根茬按2%的重量比(根茬總量為2 g)與土壤混合均勻后裝入培養(yǎng)瓶, 在25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在培養(yǎng)的第1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d、12 d、14 d、16 d、20 d、25 d、30 d、35 d、40 d、45 d、50 d、60 d、80 d、100 d取樣測定并計算培養(yǎng)期內(nèi)各處理CO2釋放量, 每個處理重復(fù)3次, 并于培養(yǎng)的第0 d、10 d、30 d、60 d、100 d取各處理中的3個重復(fù)測定土壤微生物量碳以及剩余根茬的總氮和總碳含量。

1.2 試驗材料

玉米、大豆根茬與土壤均采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)仁壽試驗基地, 該試驗田常年采用玉米大豆套作種植模式, 土壤類型為紫色土。采集試驗田0~20 cm的土壤, 剔除作物根、石塊等雜物, 自然風(fēng)干, 磨細(xì)過2 mm篩備用。土樣的基礎(chǔ)理化性狀為: 全氮1.3 g×kg-1, 速效氮115 mg×kg-1, 速效磷15.2 mg×kg-1, 速效鉀118 mg×kg-1, 有機(jī)質(zhì)1.98 g×kg-1, pH 6.75, C/N為8.7。試驗所用根茬基本特性如表1所示。

玉米灌漿期, 砍去地上部, 用鐵鍬在試驗田收集0~20 cm深度的玉米根茬, 帶回實驗室后洗去泥土, 90 ℃殺青0.5 h, 60 ℃烘干, 用剪刀將其剪成1 cm長的小段。大豆R7時, 剪去地上部, 用鐵鍬在試驗田收集0~15 cm深度的大豆根茬, 帶回實驗室后洗去泥土, 90 ℃殺青0.5 h, 60 ℃烘干, 用剪刀將其剪成1 cm長的小段。

表1 試驗用作物根茬的基本特性

1.3 分析項目及測定方法

根茬有機(jī)碳礦化量通過土壤CO2釋放量計算。CO2釋放量采用堿液吸收法測定[14], 將盛有10 mL 1 mol×L-1NaOH的塑料瓶和土樣置于同一外瓶中, 加蓋密封, 置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。內(nèi)瓶用細(xì)塑料線懸掛于外瓶中, 保證內(nèi)瓶不與土接觸。采樣的同時打開外瓶數(shù)分鐘更新瓶中的空氣, 并用稱重法保持其含水量。1 mol×L-1BaCl2沉淀, 1 mol×L-1鹽酸溶液滴定剩余NaOH溶液, 根據(jù)NaOH消耗量計算培養(yǎng)期間CO2釋放量。

根茬有機(jī)碳礦化量計算公式為:

=60×[(10–(–0)) (1)

式中:為有機(jī)碳礦化量[mg(CO2-C)×kg-1(soil)],為鹽酸含量,為各處理滴定剩余NaOH消耗的鹽酸量(mL),0為滴定對照處理土壤消耗NaOH消耗的鹽酸量(mL) 。

土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon, SMBC)測定采用氯仿熏蒸浸提法[15], 用0.5 mol×L-1K2SO4浸提(水土比5∶1), 用TOC儀測定。土壤微生物量碳以熏蒸和未熏蒸土壤的碳含量之差除以轉(zhuǎn)化系數(shù)EC得到(EC= 0.45)。

根茬、土壤全氮采用杜馬斯全自動定氮儀直接測定, 全碳用TOC儀直接測定。在培養(yǎng)的第0 d、10 d、30 d、60 d、100 d將根茬從土壤中挑選出來, 65 ℃烘干、磨細(xì)過100目篩備用。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理和作圖, 利用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。用LSD法比較不同處理間根茬有機(jī)碳礦化量、碳含量、氮含量以及土壤微生物量碳的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同根茬配比處理土壤CO2釋放動態(tài)變化

不同根茬配比處理土壤CO2釋放速率如圖1所示。培養(yǎng)前9 d各處理的CO2釋放速率均較高, 而后釋放速率逐漸降低, 到培養(yǎng)60 d后所有處理CO2釋放速率均趨于穩(wěn)定。其中, 添加根茬處理的CO2釋放速率顯著高于未添加處理, 而不同根茬配比處理間CO2釋放速率無明顯差異。添加根茬的土壤CO2釋放量與對照土壤CO2釋放的差值反映了培養(yǎng)過程中根茬有機(jī)碳的表觀礦化量。各處理根茬有機(jī)碳礦化量隨時間變化呈逐漸增加趨勢, 培養(yǎng)前9 d的增長量最大, 但各處理間的差異并不明顯(圖1)。隨著培養(yǎng)時間延長, 根茬有機(jī)碳礦化量增加速率變慢, 但SM 1∶3處理根茬有機(jī)碳礦化量始終高于其他處理, 培養(yǎng)結(jié)束時, SM 1∶3處理根茬有機(jī)碳礦化量顯著高于其他處理, 而其他處理間差異不顯著。

S: 大豆根茬; M: 玉米根茬; SM 3∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=3∶1; SM 1∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶1; SM 1∶3: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶3; CK: 未加根茬。曲線上方浮動靶(LSD值)表示各處理的<0.05水平差異顯著。S: soybean root residue; M: maize root residue; SM 3∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 3∶1; SM 1∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶1; SM 1∶3: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶3; CK: soil incubated without crop root residue. LSD (0.05) among different treatments is shown by floating bars.

2.2 腐解過程中根茬的總碳含量動態(tài)變化

腐解過程中根茬的總碳含量變化總體分為3個階段, 0~10 d根茬總碳含量無顯著變化, 10~60 d根茬總碳含量顯著下降, 而60~100 d各處理的總碳含量變化趨于平穩(wěn)(圖2)。大豆根茬的初始碳含量顯著高于玉米根茬, 各處理的初始碳含量分別為S>SM 3∶1>SM 1∶1>SM 1∶3>M。從培養(yǎng)第10 d開始SM 1∶3處理的碳含量顯著低于S處理, 而后各處理碳含量整體呈現(xiàn)SM 1∶3

圖2 不同配比處理根茬腐解過程中總碳含量動態(tài)變化

S: 大豆根茬; M: 玉米根茬; SM 3∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=3∶1; SM 1∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶1; SM 1∶3: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶3; CK: 未加根茬。曲線上方浮動靶(LSD值)表示各處理的0.05水平差異顯著。S: soybean root residue; M: maize root residue; SM 3∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 3∶1; SM 1∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶1; SM 1∶3: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶3; CK: soil incubated without crop root residue. LSD (0.05) among different treatments is shown by floating bars.

2.3 腐解過程中根茬的總氮含量動態(tài)變化

腐解過程中各處理根茬的總氮含量變化總體分為兩個階段, 0~10 d總氮含量顯著降低, 10~100 d總氮含量顯著增加(圖3)。大豆根茬初始總氮含量略低于玉米根茬, 但各玉米、大豆根茬配比處理間無顯著差異。從培養(yǎng)第10 d開始, SM 1∶3處理的根茬總氮含量顯著低于其他處理, 隨著培養(yǎng)時間延長, 各處理間的總氮含量總體呈現(xiàn)SM 1∶3

圖3 不同配比處理根茬腐解過程中根茬的總氮含量動態(tài)變化

Fig. 3 Dynamics of total nitrogen contents of remaining root residues of mixtures with different ratios of maize and soybean root residues

S: 大豆根茬; M: 玉米根茬; SM 3∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=3∶1; SM 1∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶1; SM 1∶3: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶3; CK: 未加根茬。曲線上方浮動靶(LSD值)表示各處理的0.05水平差異顯著。S: soybean root residue; M: maize root residue; SM 3∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 3∶1; SM 1∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶1; SM 1∶3: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶3; CK: soil incubated without crop root residue. LSD (0.05) among different treatments is shown by floating bars.

2.4 土壤微生物量碳(SMBC)含量動態(tài)變化

由圖4可知, 土壤微生物量碳含量在培養(yǎng)周期內(nèi)呈先增加后降低而后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律。且添加根茬處理土壤微生物量碳含量在培養(yǎng)過程中均顯著高于未添加根茬處理。在整個培養(yǎng)過程中, SM 1∶3處理土壤SMBC含量最高, 其次是SM 1∶1處理。培養(yǎng)100 d時, 與空白相比, SM 1∶3增加89.4%, SM 1∶1增加58.8%, M增加47.1%, S增加41.2%, SM 3∶1增加37.5%。

圖4 不同根茬配比處理下土壤微生物量碳含量(SMBC)動態(tài)變化

S: 大豆根茬; M: 玉米根茬; SM 3∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=3∶1; SM 1∶1: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶1; SM 1∶3: 大豆根茬∶玉米根茬=1∶3; CK: 未加根茬。曲線上方浮動靶(LSD值)表示各處理的0.05水平差異顯著。S: soybean root residue; M: maize root residue; SM 3∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 3∶1; SM 1∶1: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶1; SM 1∶3: mixture of soybean root residue and maize root residue in the weight ratio of 1∶3; CK: soil incubated without crop root residue. LSD (0.05) among different treatments is shown by floating bars.

3 討論

3.1 根茬在土壤中的分解特性

根茬施入土壤后的分解過程是微生物主導(dǎo)的生物化學(xué)過程。而微生物的繁殖主要依賴于環(huán)境中的碳和氮源。植物殘體中包括易分解組分(如糖類、淀粉、脂肪等)和難分解組分(如木質(zhì)素、多酚等)[16]。因此植物殘體在土壤中培養(yǎng)初期, 易分解組分快速分解, 促進(jìn)了微生物的生長。本研究結(jié)果顯示, 在培養(yǎng)初期根茬總氮含量迅速下降, 同時伴隨高速率的CO2釋放和快速增長的土壤微生物量碳, 而根茬的總碳含量并沒有明顯變化?？赡苁且驗樵诟绲V化分解前期, 氮作為限制營養(yǎng)元素, 微生物的生長繁殖需要大量的氮源, 導(dǎo)致根茬的氮含量急劇減少, 而根茬碳含量略微增加[17]。隨著培養(yǎng)時間延長, 根茬分解速率變慢。因為培養(yǎng)一段時間后, 易分解組分先被微生物利用, 難分解組分后礦化, 表現(xiàn)出氮素的利用快于碳的利用, 這與蔡苗等[18]的研究結(jié)果一致。同時培養(yǎng)后期, 根茬碳含量急劇下降, 而總氮含量急劇增加, 可能是經(jīng)過前10 d的培養(yǎng), 土壤微生物大量繁殖(由微生物量碳指標(biāo)可證), 而微生物生長繁殖需要消耗大量碳源。根茬中總碳含量占35%~40%左右, 而總氮含量僅占1.3%左右, 碳含量的改變極易改變氮含量。微生物大量生長繁殖時消耗了大量的碳源, 導(dǎo)致剩余根茬的氮含量增加。

3.2 不同根茬特性對其分解速率的影響

作物殘茬礦化速率與其碳、氮含量及C/N比密切相關(guān)[19]。作物殘茬C/N比較低時, 會影響植物養(yǎng)分有效性、土壤物理生物學(xué)特性, 礦化也會更快[20]。氮含量通過影響微生物的生理學(xué)適應(yīng)性來影響殘茬前期腐解速度, 因此初始氮含量較高(或C/N比低)的殘茬分解速度更快[21-22]。前人研究玉米大豆根茬礦化分解特性時發(fā)現(xiàn), 大豆根茬礦化分解的速率高于玉米, 主要得益于大豆的C/N低于玉米[23-24]。而本試驗結(jié)果顯示, 玉米根茬的分解速度快于大豆, 這與前人的研究結(jié)果相矛盾。可能是因為本研究中, 玉米取樣時間為玉米灌漿期初期(根系具有較強(qiáng)活力, 衰老不明顯), 大豆為R7時期(根系基本失活, 完全衰老), 因此測得玉米根茬的氮含量高于大豆根茬, 而根茬總碳含量為大豆高于玉米, 從而導(dǎo)致大豆根茬的C/N比高于玉米, 同時大豆根茬木質(zhì)素含量顯著高于玉米。Vachon等[23]發(fā)現(xiàn)殘茬木質(zhì)素、纖維素含量與其降解速率呈反比。這與本試驗中大豆木質(zhì)素含量高分解速度慢的結(jié)果一致。

3.3 不同配比大豆玉米根茬的分解變化差異

不同質(zhì)量的作物殘茬, 其化學(xué)性質(zhì)有很大差異, 而殘茬腐解過程中的微生物量、胞外酶活性以及腐解過程中的副產(chǎn)品包括CO2和可溶性無機(jī)氮等都與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān)[21,25]。Salamanca等[21]發(fā)現(xiàn), 生物活動在殘茬腐解后期有重要作用, 殘茬腐解過程中, 混合后殘茬相對于單一殘茬腐解速度更快。Chapman等[8]發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量和低質(zhì)量作物殘茬混合后的互作會通過增強(qiáng)動物區(qū)系的活動和殘茬間的養(yǎng)分轉(zhuǎn)換來影響殘茬腐解。本研究發(fā)現(xiàn)玉米根茬的質(zhì)量優(yōu)于大豆, 將二者按一定比例混合后其分解速率較玉米大豆根茬本身有較大差異。其中SM 1∶3處理的根茬分解速率明顯快于其他處理, 表現(xiàn)為更多的碳、氮釋放和土壤微生物量碳顯著增加。說明SM 1∶3處理根茬礦化分解最快, 可能是因為兩種根茬混合后產(chǎn)生了“協(xié)同效應(yīng)”, 即有不同化學(xué)物理屬性的另一種殘茬組分存在會通過形成更好的通氣條件來允許養(yǎng)分轉(zhuǎn)換從而改善根茬腐解的微環(huán)境[21]。在玉米大豆套作體系中, 玉米的生物量遠(yuǎn)高于大豆, 作物根茬向土壤輸入的碳大部分來自于玉米, 因此玉米在該系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位[23]。Cong等[26]發(fā)現(xiàn)將C/N比不同的蠶豆(L.)和玉米的根茬混合后, 產(chǎn)生了一種正根茬混合效應(yīng), 即混合培養(yǎng)比單獨培養(yǎng)的根茬分解速率快2%。在本試驗中, 向玉米根茬中添加一點具有與之不同特性的大豆根茬, 特別是玉米∶大豆=3∶1的配比, 發(fā)現(xiàn)其礦化速率并不是兩者在數(shù)學(xué)上的簡單計算, 而是同時高于兩者單獨培養(yǎng)的礦化速率。因為大豆根茬木質(zhì)素含量高, 分解速度慢, 其在土壤中增加土壤孔隙從而使通氣性增加, 從而有利于整個處理的根茬分解。因此, 在間套作體系中, 特別是禾本科和豆科植物根系互作后的根茬分解速率和根茬的養(yǎng)分釋放速率明顯高于單作。同時玉米大豆根系混合更有利于土壤微生物的繁殖, 有利于改善土壤養(yǎng)分有效性。

4 結(jié)論

混合后的玉米、大豆根茬分解速率、養(yǎng)分釋放速率及其對土壤微生物增殖的促進(jìn)能力明顯強(qiáng)于單一玉米或大豆根茬, 在本試驗所選的3種配比中, SM 1∶3的配置效果最佳。兩種作物根茬混合后不僅可以促進(jìn)自身的養(yǎng)分釋放, 同時促進(jìn)根際微生物增殖, 進(jìn)而達(dá)到提高土壤養(yǎng)分(如磷)有效性的作用。明確混合玉米大豆根茬的分解和養(yǎng)分釋放規(guī)律, 有助于進(jìn)一步理解禾本科和豆科作物套作體系土壤肥力可持續(xù)理論。

[1] BROOKER R W, BENNETT A E, CONG W F, et al. Improving intercropping: A synthesis of research in agronomy, plant physiology and ecology[J]. New Phytologist, 2015, 206(1): 107–117

[2] LI L, TILMAN D, LAMBERS H, et al. Plant diversity and overyielding: Insights from belowground facilitation of intercropping in agriculture[J]. New Phytologist, 2014, 203(1): 63–69

[3] XIA H Y, WANG Z G, ZHAO J H, et al. Contribution of interspecific interactions and phosphorus application to sustainable and productive intercropping systems[J]. Field Crops Research, 2013, 154: 53–64

[4] LI L, SUN J H, ZHANG F S, et al. Root distribution and interactions between intercropped species[J]. Oecologia, 2006, 147(2): 280–290

[5] LI Q Z, SUN J H, WEI X J, et al. Overyielding and interspecific interactions mediated by nitrogen fertilization in strip intercropping of maize with faba bean, wheat and barley[J]. Plant and Soil, 2011, 339(1/2): 147–161

[6] TANG X Y, PLACELLA S A, DAYDé F, et al. Phosphorus availability and microbial community in the rhizosphere of intercropped cereal and legume along a P-fertilizer gradient[J]. Plant and Soil, 2016, 407(1/2): 119–134

[7] CONG W F, HOFFLAND E, LI L, et al. Intercropping enhances soil carbon and nitrogen[J]. Global Change Biology, 2015, 21(4): 1715–1726

[8] CHAPMAN K, WHITTAKER J B, HEAL O W. Metabolic and faunal activity in litter of tree mixtures compared with pure stands[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 1988, 24: 33–40

[9] WARDLE D A, BONNER K I, NICHOLSON K S. Biodiversity and plant litter: Experimental evidence which does not support the view that enhanced species richness improves ecosystem function[J]. Oikos, 1997, 79(2): 247–258

[10] H?TTENSCHWILER S, TIUNOV A V, SCHEU S. Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems[J]. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2005, 36: 191–218

[11] HARGUINDEGUY N P, BLUNDO C M, GURVICH D E, et al. More than the sum of its parts? Assessing litter heterogeneity effects on the decomposition of litter mixtures through leaf chemistry[J]. Plant and Soil, 2008, 303(1/2): 151–159

[12] VOS V C A, VAN RUIJVEN J, BERG M P, et al. Leaf litter quality drives litter mixing effects through complementary resource use among detritivores[J]. Oecologia, 2013, 173(1): 269–280

[13] HANDA I T, AERTS R, BERENDSE F, et al. Consequences of biodiversity loss for litter decomposition across biomes[J]. Nature, 2014, 509(7499): 218–221

[14] 文啟孝. 土壤有機(jī)質(zhì)研究法[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1984: 318 WEN Q X. Research Method of Soil Organic Matter[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1984: 318

[15] 吳金水, 林啟美, 黃巧云, 等. 土壤微生物生物量測定方法及其應(yīng)用[M]. 北京: 氣象出版社, 2006: 150 WU J S, LIN Q M, HUANG Q Y, et al. Soil Microbial Biomass-Methods and Application[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2006: 150

[16] 胡希遠(yuǎn), KUEHNE R F. 秸稈在土壤內(nèi)分解初期氮素礦化與固持的模擬測定[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2005, 16(2): 243–248 HU X Y, KUEHNE R F. Simulation of nitrogen mineralization and immobilization of crop straw during its initial decomposition in soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(2): 243–248

[17] MARY B, RECOUS S, DARWIS D, et al. Interactions between decomposition of plant residues and nitrogen cycling in soil[J]. Plant and Soil, 1996, 181(1): 71–82

[18] 蔡苗, 董燕婕, 李佰軍, 等. 不同施氮處理玉米根茬在土壤中礦化分解特性[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(14): 4248–4256CAI M, DONG Y J, LI B J, et al. Decomposition characteristics of maize roots derived from different nitrogen fertilization fields under laboratory soil incubation conditions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(14): 4248–4256

[19] 王蕓, 李增嘉, 韓賓, 等. 保護(hù)性耕作對土壤微生物量及活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2007, 27(8): 3384–3390 WANG Y, LI Z J, HAN B, et al. Effects of conservation tillage on soil microbial biomass and activity[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(8): 3384–3390

[20] SHARMA A R, BEHERA U K. Recycling of legume residues for nitrogen economy and higher productivity in maize ()-wheat () cropping system[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 83(3): 197–210

[21] SALAMANCA E F, KANEKO N, KATAGIRI S. Effects of leaf litter mixtures on the decomposition ofandusing field and laboratory microcosm methods[J]. Ecological Engineering, 1998, 10(1): 53–73

[22] BOOTH M S, STARK J M, RASTETTER E. Controls on nitrogen cycling in terrestrial ecosystems: A synthetic analysis of literature data[J]. Ecological Monographs, 2005, 75(2): 139–157

[23] VACHON K, OELBERMANN M. Crop residue input and decomposition in a temperate maize-soybean intercrop system[J]. Soil Science, 2011, 176(4): 157–163

[24] SCHMATZ R, RECOUS S, AITA C, et al. Crop residue quality and soil type influence the priming effect but not the fate of crop residue C[J]. Plant and Soil, 2017, 414(1/2): 229–245

[25] MCDANIEL M D, GRANDY A S, TIEMANN L K, et al. Crop rotation complexity regulates the decomposition of high and low quality residues[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 78: 243–254

[26] CONG W F, HOFFLAND E, LI L, et al. Intercropping affects the rate of decomposition of soil organic matter and root litter[J]. Plant and Soil, 2015, 391(1/2): 399–411

Decomposition characteristics of mixed maize and soybean root residues*

WANG Li1, ZHOU Tao1, LIU Ting1, WU Yunxia2, DU Yongli1, LI Shuxian1, GAO Yang1, QIN Sisi1, WEN Bingxiao1, HUANG Jiale1, LIU Weiguo1**, YANG Wenyu1**

(1. College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2. Institute of Rice Science, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

Maize/soybean intercropping system could potentially improve crop yield and nutrient-use efficiency. It is pivotal to elucidate nutrient efficiency of crop root residue decomposition, nutrient release and the related effects on soil biological characteristics in intercropping processes. In this laboratory incubation study, we set different combined ratios of maize and soybean root residues, including sole soybean (S), sole maize (M) root residues, S∶M=3∶1(SM 3∶1), S∶M=1∶1 (SM 1∶1), S∶M=1∶3 (SM 1∶3), with soil without residues (CK) as the control. The ratio of total weight of residues to soil in each treatment was 2∶98, in unit of gram (g). We dynamically measured the mineralization rate of residues, contents of total carbon and nitrogen of remained root residues and SMBC (soil microbial biomass carbon) content. The results showed that the mineralization rate of root residues was fastest during 0-9 days after incubation, which then gradually decreased after 9 days. After 60 days of incubation, the mineralization rate of root residues in all the treatments stabilized. During the whole incubation period, the cumulative release of CO2from maize roots was higher than that from soybean roots, but the cumulative release of CO2under SM 1∶3 treatment was always higher than the other treatments. The cumulative release of CO2under SM 1∶3 treatment was significantly higher than that under other treatments at the end of incubation. The content of total carbon in root residues had no significant change in the first 10 days, but decreased significantly during 10-60 days of incubation, after which it stabilized. At the end of incubation, total carbon content under SM 1∶3 treatment decreased by a maximum of 24.8% from the initial value, followed by maize root residue treatment (which decreased by 21.4%), and the decrease in carbon content of the soybean root residue treatment was minimum, which was 9.7%. Total nitrogen content decreased significantly in the first 10 days of incubation, and then increased significantly until the end of incubation. Total nitrogen content of soybean root residues was highest at the end of incubation, and SM 1∶3 treatment had the lowest. SMBC content first increased and then decreased during the incubation, followed by a steady change. At the end of incubation, SMBC content of SM 1∶3, SM 1∶1, M, S and SM 3∶1 were 89.4%, 58.8%, 47.1%, 41.2% and 37.5% higher than CK, respectively. Hence, the mixtures of maize and soybean root residues had higher mineralization and nutrient release than sole maize and soybean root residues. This was beneficial to the reproduction of soil microorganisms. Among the three ratios selected in this experiment, the SM 1∶3 had the best effects.

Maize; Soybean; Root residue decomposition; Nutrition release; Soil microbial biomass carbon

s: YANG Wenyu, E-mail: mssiyanawy@sicau.edu.cn; LIU Weiguo, E-mail: lwgsy@126.com

Mar. 29, 2018;

May 19, 2018

S158

A

1671-3990(2018)08-1190-07

10.13930/j.cnki.cjea.180316

* 國家自然科學(xué)基金項目(31771728, 31671626)資助

楊文鈺, 主要從事作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培理論與技術(shù)研究, E-mail: mssiyanawy@sicau.edu.cn; 劉衛(wèi)國, 主要從事作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培理論與技術(shù)研究, E-mail: lwgsy@126.com

王莉, 主要從事作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培與技術(shù)研究。E-mail: 724368238@qq.com

2018-03-29

2018-05-19

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31771728, 31671626).

王莉, 周濤, 劉婷, 武云霞, 杜勇利, 李淑賢, 高陽, 覃思思, 溫冰消, 黃家樂, 劉衛(wèi)國, 楊文鈺. 玉米大豆根茬混合后的腐解特性[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(8): 1190-1196

WANG L, ZHOU T, LIU T, WU Y X, DU Y L, LI S X, GAO Y, QIN S S, WEN B X, HUANG J L, LIU W G, YANG W Y. Decomposition characteristics of mixed maize and soybean root residues[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(8): 1190-1196