不同品质凋落物分解对黄土高原草地土壤有机碳及其稳定性的影响

doi:10.11686/cyxb2022349

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (5): 83-93.DOI: 10.11686/cyxb2022349

不同品质凋落物分解对黄土高原草地土壤有机碳及其稳定性的影响

郭鑫¹(), 罗欢², 许雪梅¹, 马爱霞³, 尚振艳¹, 韩天虎³, 牛得草¹, 文海燕¹, 李旭东¹()

^1.兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州 730020
^2.甘肃农业职业技术学院，甘肃兰州 730030
^3.甘肃省草原技术推广总站，甘肃兰州 730010

收稿日期:2022-08-30 修回日期:2022-10-31 出版日期:2023-05-20 发布日期:2023-03-20
通讯作者: 李旭东
作者简介:E-mail： lixudong@lzu.edu.cn
郭鑫（1996-），女，甘肃兰州人，在读硕士。E-mail： gx995663@163.com
基金资助:
甘肃省科技计划(22JR5RA400);国家自然科学基金项目(31572458);甘肃省科技计划(22JR5RA464);甘肃省级林业和草原科技项目(2021kj071)

Effects of litter decomposition with different qualities on soil organic carbon content and its stability in grassland on the Loess Plateau

Xin GUO¹(), Huan LUO², Xue-mei XU¹, Ai-xia MA³, Zhen-yan SHANG¹, Tian-hu HAN³, De-cao NIU¹, Hai-yan WEN¹, Xu-dong LI¹()

^1.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems，College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China
^2.Gansu Vocational College of Agriculture，Lanzhou 730030，China
^3.Gansu Grassland Technology Promotion Station，Lanzhou 730010，China

Received:2022-08-30 Revised:2022-10-31 Online:2023-05-20 Published:2023-03-20
Contact: Xu-dong LI

摘要/Abstract

摘要：

植物凋落物是土壤有机碳（SOC）最重要的来源，凋落物的品质决定新碳（C）进入到土壤中形成SOC的数量和稳定性。本研究选取陇中黄土高原典型草原不同品质的凋落物（AS：铁杆蒿茎秆、SR：长芒草根、SL：长芒草叶片和SAL：苦豆子叶片），将凋落物与土壤共同培养，研究不同品质凋落物分解过程及其对SOC含量和稳定性的影响。结果表明：与低品质凋落物（AS和SR）相比，高品质凋落物（SL和SAL）因其较高的易分解可溶物含量和较低的碳氮比而具有相对较高的分解速率。分解2年后，各处理SOC含量均显著增加，高品质凋落物处理下SOC的增幅和新C形成效率均显著高于低品质凋落物，说明高品质凋落物分解后对SOC固存有较高的贡献。各处理对不同粒径土壤团聚体质量无显著影响。分解2年后，<0.053 mm土壤团聚体SOC含量在各处理下均显著升高，高品质凋落物处理较低品质凋落物处理下<0.053 mm土壤团聚体具有更高的SOC含量和新C形成效率；说明与低品质凋落物相比，高品质凋落物分解后更容易形成稳定的矿质结合态SOC。

关键词: 凋落物, 化学组成, 土壤团聚体, 土壤有机碳, 土壤有机碳稳定性

Abstract:

Plant litter is the most important source of soil organic carbon （SOC）， and the quality of litter may affect the amount and stability of newly formed SOC. In this study， we evaluated the effects of decomposition of litters of different quality （AS： Artemisia sacrorum stem， SR： Stipa bungeana root， SL： S. bungeana leaf， SAL： Sophora alopecuroides leaf）， which were selected from the typical grassland of the Loess Plateau in the middle of Gansu Province， on SOC and its stability. According to their chemical composition， litters were divided into high-quality litters （higher soluble components content and lower lignin content） and low-quality litters （lower soluble components content and higher lignin content）. The litters were co-incubated with soil to study the decomposition process and determine how it affected SOC content and stability. Compared with low-quality litters （AS and SR）， high-quality litters （SAL and SL） had a relatively higher decomposition rate due to their higher content of labile components and lower carbon/nitrogen （C/N）. After decomposition for 2 years， the SOC content had increased in each treatment. The increases in SOC and the formation efficiency of new carbon （C） were significantly higher in the high-quality litter treatments than in the low-quality litter treatments. These results indicated that， compared with low-quality litters， high-quality litters made a greater contribution to SOC sequestration after decomposition. The amounts of all soil aggregate components did not vary significantly among treatments. After decomposition for 2 years， the SOC content in <0.053 mm soil aggregates was significantly increased in all the treatments. The SOC content and efficiency of new C formation in <0.053 mm soil aggregates were significantly higher in the high-quality litter treatments than in the low-quality litter treatments. Overall， these results show that， compared with low-quality litter， high-quality litter more readily forms stable mineral-associated organic matter after decomposition.

Key words: litter, chemical composition, soil aggregates, soil organic carbon, soil organic carbon stability

郭鑫, 罗欢, 许雪梅, 马爱霞, 尚振艳, 韩天虎, 牛得草, 文海燕, 李旭东. 不同品质凋落物分解对黄土高原草地土壤有机碳及其稳定性的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(5): 83-93.

Xin GUO, Huan LUO, Xue-mei XU, Ai-xia MA, Zhen-yan SHANG, Tian-hu HAN, De-cao NIU, Hai-yan WEN, Xu-dong LI. Effects of litter decomposition with different qualities on soil organic carbon content and its stability in grassland on the Loess Plateau[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(5): 83-93.

图/表 9

表1 4种凋落物的初始化学组成

Table 1 Initial chemical characteristics of the four litters

凋落物 Litter	可溶物 Soluble component （%）	半纤维素 Hemicellulose （%）	纤维素 Cellulose （%）	木质素 Lignin （%）	有机碳 Soil organic carbon （%）	全氮 Total nitrogen （%）	碳氮比Carbon/nitrogen （C/N）
AS	25.57±1.64c	17.76±0.32c	37.70±1.13a	17.16±0.37a	48.99±0.09a	0.70±0.01c	70.05±1.12a
SR	20.56±1.34d	25.53±0.98b	33.51±0.67a	15.26±0.14b	40.47±0.22d	0.71±0.01c	55.05±1.48b
SL	30.99±0.77b	33.06±0.29a	29.67±0.74b	3.28±0.27d	45.86±0.08b	1.22±0.01b	37.37±0.22c
SAL	66.40±0.99a	10.37±0.31d	17.23±0.78c	4.44±0.22c	43.56±0.38c	3.93±0.01a	11.08±0.05d

图1 凋落物分解过程中的干物质残留率AS：铁杆蒿茎秆；SR：长芒草根；SL：长芒草叶片；SAL：苦豆子叶片。不同小写字母表示同一处理在不同取样时间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示不同处理在同一取样时间差异显著（P<0.05）。下同。AS： T. vulgare stem； SR： S. bungeana root； SL： S. bungeana leaf； SAL： S. alopecuroides leaf. Different lowercase letters indicate that the same treatment has significant difference at different sampling times （P<0.05）， and different uppercase letters indicate that different treatments have significant difference at the same sampling time （P<0.05）. The same below.

Fig.1 Dry matter residue rates of litters during incubation

表2 凋落物分解系数

Table 2 Decomposition coefficient of litters

凋落物 Litter	分解时间 Decomposition time （d）	Olson 拟合方程 Olson fitting equation	分解系数 Decomposition coefficient （k）	凋落物 Litter	分解时间 Decomposition time （d）	Olson 拟合方程 Olson fitting equation	分解系数 Decomposition coefficient （k）
AS	60	y=4.0804e^-0.0701^t	0.0701	SL	60	y=4.3742e^-0.1003^t	0.1003
	365	y=4.0804e^-0.0151^t	0.0151		365	y=4.3742e^-0.0295^t	0.0295
	730	y=4.0804e^-0.0270^t	0.0270		730	y=4.3742e^-0.0442^t	0.0442
SR	60	y=4.9423e^-0.0955^t	0.0955	SAL	60	y=4.5816e^-0.1104^t	0.1104
	365	y=4.9423e^-0.0207^t	0.0207		365	y=4.5816e^-0.0356^t	0.0356
	730	y=4.9423e^-0.0249^t	0.0249		730	y=4.5816e^-0.0697^t	0.0697

表3 初始凋落物品质与凋落物分解速率之间的相关性

Table 3 Correlation coefficients between initial litter quality and litter decomposition rate

指标

Index

可溶物

Soluble component

半纤维素

Hemicellulose

纤维素

Cellulose

木质素

Lignin

C/N

分解系数Decomposition coefficient （k， 730 d）

图2 凋落物分解过程中化学组成的变化各组分质量为全部培养凋落物在不同取样时间所含某组分的质量（g）。The mass of each component is the mass of a component contained in all litters for incubation at different sampling times.

Fig.2 Chemical composition changes of litters during incubation

图3 不同处理下SOC和土壤TN含量变化

Fig.3 Changes of soil organic carbon and total nitrogen contents under different treatments

表4 不同粒径土壤团聚体的质量和SOC含量

Table 4 Weights and SOC contents of soil aggregates with different sizes

凋落物 Litter	分解时间 Decomposition time （d）	0.25~2.00 mm		0.053~0.250 mm		<0.053 mm
凋落物 Litter	分解时间 Decomposition time （d）	团聚体质量 Mass fraction of aggregation （g）	SOC （g·kg^-1）	团聚体质量 Mass fraction of aggregation （g）	SOC （g·kg^-1）	团聚体质量 Mass fraction of aggregation （g）	SOC （g·kg^-1）
AS	730	13.04±0.32a	5.59±0.05c	21.43±0.26a	5.51±0.11b	14.73±0.21a	6.36±0.27b
SR	730	13.08±0.06a	6.07±0.15b	22.10±0.09a	5.26±0.12c	14.82±0.13a	6.42±0.09b
SL	730	12.64±0.04a	6.05±0.09b	21.65±0.68a	5.03±0.13c	14.70±0.22a	6.72±0.02a
SAL	730	13.43±0.10a	6.40±0.08a	21.18±0.19a	6.12±0.11a	15.30±0.22a	7.01±0.14a
CK	730	13.79±0.13a	5.27±0.10c	21.09±0.30a	5.17±0.02c	15.12±0.12a	5.22±0.09c

图4 全土及不同粒径土壤团聚体的新C形成效率（730 d）不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示同一处理在不同土壤及团聚体组分间差异显著（P<0.05）。Different lowercase letters indicate that the different treatment has significant difference （P<0.05）， and different uppercase letters indicate that the same treatment has significant difference of whole soil and soil aggregates with different sizes （P<0.05）.

Fig.4 New carbon formation efficiency of whole soil and soil aggregates with different sizes （730 d）

图5 不同处理下的CO2释放速率和土壤微生物量C含量

Fig.5 CO2 emission rate and soil microbial biomass C content under different treatments

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不同品质凋落物分解对黄土高原草地土壤有机碳及其稳定性的影响

Effects of litter decomposition with different qualities on soil organic carbon content and its stability in grassland on the Loess Plateau

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