Effects of biochar and straw on the C∶N∶P stoichiometry of soil， microbes， and extracellular enzymes in an aeolian sandy soil

doi:10.11686/cyxb2020407

Abstract

Abstract:

In this research straw or biochar were added to a sandy soil located at Helanshan East Road in Ningxia Province and the stoichiometric characteristics of soil， microorganisms and extracellular enzymes were analyzed to provide a scientific basis for farmland nutrient regulation and sustainable soil utilization. The experiment comprised seven treatments； a control， straw added at 3.5， 7.0， or 10.5 t·ha^-1， or biochar added at 3.4， 6.8， or 10.2 t·ha^-1. All plots received a standard base fertilizer dressing of 330 kg·ha^-1elemental N， 46 kg·ha^-1elemental P and 75 kg·ha^-1elemental K. Our results demonstrated that the content of soil C， P， available N （AN） and available P （AP） increased significantly with increase in the rate of straw or biochar added， and addition of biochar was superior to addition of straw on an equal carbon basis. However， returning straw and biochar to the field had no significant influence on soil N content. Soil C/N， C/P， N/P and AN/AP ranged from 10.1-10.9， 7.4-8.2， 0.70-0.75 and 2.7-3.4， respectively. Additionally， both soil N/P and AN/AP exhibited a significant positive correlation with the quantity of straw returned， but a significant negative correlation with the quantity of biochar returned. The contents of microbial biomass carbon （MBC）， microbial biomass nitrogen （MBN） and microbial biomass phosphorus （MBP） after biochar addition were higher than those after straw treatment on an equal carbon basis， while the stoichiometric ratios for C∶N， C∶P and N∶P of soil microorganisms and extracellular enzymes were significantly higher after straw addition than those after biochar addition to the field. Finally， correlation analysis revealed that after addition of straw， soil AN was significantly positively correlated with β-glucosidase （BG）， L-leucine aminopeptidase （LAP）， β-acetylgucosaminidase （NAG）， MBC，［BG+α-D-cellobiohydrolase （CBH）］∶β-acetylgucosaminidase （AKP），（NAG+LAP）∶AKP and MBN∶MBP， but negatively correlated with AKP. After addition of biochar to the field， soil AP was significantly positively correlated with BG， CBH， LAP， NAG， MBC， MBN，（BG+CBH）∶AKP， but negatively correlated with MNC∶MBN. Taken together， these findings highlight that addition of biochar to the field increased soil nutrient content and microbial biomass， whereas returning straw to the field was conducive to maintenance of soil nutrient balance.

Key words: biochar addition and straw addition, sandy soil, enzymatic stoichiometry, microbial stoichiometry, nutrient balance

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Figures/Tables 7

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处理Treatment	秸秆Straw （t·hm^-2）	生物炭Biochar （t·hm^-2）	N （kg·hm^-2）	P₂O₅（kg·hm^-2）	K₂O （kg·hm^-2）
对照CK	0.0	0.0	330	105	90
低量秸秆SI	3.5	0.0	330	105	90
中量秸秆SII	7.0	0.0	330	105	90
高量秸秆SIII	10.5	0.0	330	105	90
低量生物炭BCI	0.0	3.4	330	105	90
中量生物炭BCII	0.0	6.8	330	105	90
高量生物炭BCIII	0.0	10.2	330	105	90

处理Treatment	秸秆Straw （t·hm^-2）	生物炭Biochar （t·hm^-2）	N （kg·hm^-2）	P₂O₅（kg·hm^-2）	K₂O （kg·hm^-2）
对照CK	0.0	0.0	330	105	90
低量秸秆SI	3.5	0.0	330	105	90
中量秸秆SII	7.0	0.0	330	105	90
高量秸秆SIII	10.5	0.0	330	105	90
低量生物炭BCI	0.0	3.4	330	105	90
中量生物炭BCII	0.0	6.8	330	105	90
高量生物炭BCIII	0.0	10.2	330	105	90

土壤酶 Soil enzyme	缩写 Abbreviations	反应底物 Substrates
β-葡糖苷酶β-glucosidase	BG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucopyranoside
α-纤维素酶α-D-cellobiohydrolase	CBH	4-甲基伞形酮酰-b-D-纤维二糖苷4-Methylumbelliferyl-b-D-cellobioside
β-乙酰葡糖胺糖苷酶β-acetylgucosaminidase	NAG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖酸苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucosaminide
亮氨酸氨基肽酶Leucine aminopeptidase	LAP	L-亮氨酸-7-氨基-4-盐酸甲基香豆素L-Leucine-7-amido-4-methylcoumarin hydrochloride
碱性磷酸酶Alkaline phosphatase	AKP	4-甲基伞形酮酰-磷酸酯4-Methylumbelliferyl phosphate

土壤酶 Soil enzyme	缩写 Abbreviations	反应底物 Substrates
β-葡糖苷酶β-glucosidase	BG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucopyranoside
α-纤维素酶α-D-cellobiohydrolase	CBH	4-甲基伞形酮酰-b-D-纤维二糖苷4-Methylumbelliferyl-b-D-cellobioside
β-乙酰葡糖胺糖苷酶β-acetylgucosaminidase	NAG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖酸苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucosaminide
亮氨酸氨基肽酶Leucine aminopeptidase	LAP	L-亮氨酸-7-氨基-4-盐酸甲基香豆素L-Leucine-7-amido-4-methylcoumarin hydrochloride
碱性磷酸酶Alkaline phosphatase	AKP	4-甲基伞形酮酰-磷酸酯4-Methylumbelliferyl phosphate

处理 Treatment	有机碳 Organic carbon （g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	全磷 Total phosphorus （g·kg^-1）	碳氮比 C/N	碳磷比 C/P
对照CK	3.72±0.18c	0.37±0.01a	0.50±0.01b	10.12±0.65a	7.45±0.26b
低量秸秆SI	3.94±0.26b	0.37±0.01a	0.51±0.00b	10.71±0.89a	7.67±0.51ab
中量秸秆SII	3.98±0.01ab	0.38±0.01a	0.52±0.01ab	10.58±0.33a	7.59±0.18ab
高量秸秆SIII	4.14±0.17a	0.38±0.02a	0.51±0.05b	10.94±0.57a	8.17±0.14a
低量生物炭BCI	3.94±0.13b	0.36±0.00a	0.51±0.00b	10.91±0.49a	7.70±0.31ab
中量生物炭BCII	4.03±0.01ab	0.37±0.00a	0.52±0.01ab	10.85±0.06a	7.71±0.11ab
高量生物炭BCIII	4.15±0.34a	0.38±0.02a	0.55±0.00a	10.83±0.33a	7.54±0.66ab
处理 Treatment	氮磷比 N/P	速效氮 Available nitrogen （mg·kg^-1）	速效磷 Available phosphorus （mg·kg^-1）	速效氮磷比 Available N/P
对照CK	0.74±0.02ab	18.00±0.12d	6.70±0.16b	2.75±0.14b
低量秸秆SI	0.72±0.01abc	20.33±0.60c	6.95±0.09b	2.91±0.07ab
中量秸秆SII	0.72±0.01abc	24.07±0.79b	7.40±0.21b	3.24±0.12a
高量秸秆SIII	0.75±0.03a	25.09±1.02b	7.45±1.05b	3.40±0.43a
低量生物炭BCI	0.71±0.00bc	24.05±1.16b	7.25±0.71b	3.46±0.55a
中量生物炭BCII	0.71±0.01abc	25.07±1.06b	7.72±0.13b	3.39±0.23a
高量生物炭BCIII	0.70±0.04c	27.78±0.61a	8.82±0.21a	3.23±0.09ab