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秸秆还田维持全球土壤生态化学计量平衡

发布时间：2023-01-08　　第一作者：刘济编辑：边诗琪刘红洁

背景介绍：

半个世纪以来，无机肥被大规模施用于农业生态系统以保证全球粮食的增长需求。高N、P含量的无机肥施用会加剧土壤微生物的C限制，促进微生物对土壤有机质的矿化速率，以获取C源满足微生物生态化学计量（C:N:P）的内稳态（42:6:1）。近年来，发展迅速的有机农业被期望提高农田肥力、缓解生态环境的恶化、维持农业的可持续发展。然而，实际生产中我们发现以秸秆（544:8:1）还田为代表的有机物料投入不仅难以提供作物生长的足够养分，还导致了微生物N和P的限制，加剧微生物与作物的养分竞争，致使作物减产。鉴于高N、P含量的无机肥和高C含量的秸秆间显著差异的生态化学计量比，我们假设无机肥和秸秆的混合施用可以满足作物和微生物的生态化学计量需求（~126:16-6:1），从而缓解作物和微生物的养分限制，提高养分利用效率（图1）。因此，为验证无机肥混合秸秆还田是否可以通过缓解生物养分限制，增加土壤碳氮磷、有机质含量和谷物产量。我们收集了全球682对农田生态系统（包括水田、旱地、水旱轮作）的土壤和作物产量数据，量化无机肥单独施用和无机肥混合秸秆还田对土壤生态化学计量比以及作物产量的影响。

图1 无机肥和秸秆还田影响下的作物和微生物养分限制

研究结果：

结果表明，无机肥混合秸秆还田可以平衡土壤生态化学计量比（从195:13:1上升到205:13:1），从而缓解单一无机肥施用和秸秆还田所引起的养分限制。平衡的土壤生态化学计量比促进了土壤有机质的累积，并明显提高土壤C（10.5–12%），N（7.6–9.2%），P（2.6–5.1%）含量。同时平衡的土壤生态化学计量也为作物生长提供更有效的养分供给促进谷物增产（6.12–8.64%）（图2）。尤为重要的是，我们发现对于旱地生态系统，秸秆还田不仅平衡土壤生态化学计量比、还能缓解土壤酸化，并有着最高的作物增产潜力。此外，我们揭示了秸秆还田对土壤生态化学计量的改良存在饱和机制，即连续返还13-16 年后，土壤生态化学计量比和谷物产量维持稳定（图3）。土壤生态化学计量比的改良主要受到初始土壤pH和C含量的影响，而作物产量不仅受土壤性质控制，更大程度上取决于无机肥的投入量（图4）。鉴于秸秆还田对土壤性质和作物产量的影响受控于环境背景差异，特别是在初始土壤NP含量较低的区域实施秸秆还田会加剧作物和微生物竞争养分、减少谷物产量。我们提出了一个全新的理论模型用于评估秸秆还田的增产效果和环境效应，以减少秸秆还田的不确定性并提高还田效益。

我们的上述研究揭示了秸秆联合无机肥的共同施用对增加土壤有机质积累和提高作物产量的生态化学计量机制（图5），发现区域性和差异化的秸秆还田策略可以实现粮食安全生产和生态环境保护的双赢目标。综上，本研究建议可从用于农业环境保护的资金中分配部分来推动秸秆还田，特别是对于旱地生态系统，以实现现代农业与生态环境的可持续发展。

图2秸秆还田对土壤性质和作物产量的影响

图3秸秆还田对土壤性质和作物产量的非线性饱和效应

图4环境变量对土壤性质和作物产量的调控

图5秸秆还田通过平衡土壤生态化学计量比来缓解作物和微生物的养分限制

以上研究成果以“Crop residue return sustains global soil ecological stoichiometry balance”为题，与2023年1月在线发表于生态学的顶级期刊Global Change Biology (IF: 13.211) 上。第一作者为华中师范大学刘济副教授，通讯作者为方临川教授。合作单位有中国科学院水利部水土保持研究所（邱天逸、崔庆亮、何浩然）、华中农业大学（谭文峰教授）、西班牙全球生态研究所 CREAF-CSIC-UAB（Josep Peñuelas和Jordi Sardans教授）、西北农林科技大学（魏晓梦）、北京大学（崔勇兴）和华中师范大学（刘兰法、周柏涛）。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFD1901205）、中国科学院战略先导（XDB40020202）、中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室开放基金（ISA2021101）以及德国洪堡基金会的资助。

论文题目:Crop residue return sustains global soil ecological stoichiometry balance

期刊:Global Change Biology

影响因子:13.211; 中国科学院1区

全文下载: https://doi.org/10.1111/gcb.16584