在农田生态系统轮作体系中，由于豆科作物有利于改善土壤肥力、维持土壤健康被广泛推荐使用。然而，由于豆科作物残体具有较低的C/N比值，容易被微生物分解利用，进而可促进土壤有机碳矿化及其激发效应(PE)。目前已有大量研究探究了不同轮作系统对土壤有机碳矿化的影响，但是豆科作物在轮作系统中种植的频率对土壤有机碳的激发效应的影响尚不清晰，不利于进一步明确豆科作物对土壤碳动态的影响。

攻关任务“土壤有机质衰减的阻控原理与提升的耕作培肥技术”研究人员基于中国科学院海伦农业生态试验站作物长期轮作试验平台，选取小麦和玉米为主的不同作物轮作系统，采集具有不同大豆种植频率的土壤样品，利用稳定同位素示踪技术结合室内培养实验，探究了豆科作物参与的不同轮作系统中土壤微生物量和群落结构等对农田黑土有机碳矿化及其激发效应的影响。

研究表明，在连作系统中，小麦连作土壤具有最高的土壤有机碳矿化速率，其次是大豆，玉米连作的土壤具有最低的有机碳矿化速率。在小麦和玉米轮作系统中，葡萄糖添加均促进了土壤有机碳矿化，即引起正激发效应，其中葡萄糖添加使小麦和玉米轮作系统中土壤CO₂排放分别增加了195–230%和255–300%(图1a)。大豆参与的小麦和玉米轮作系统中，葡萄糖添加引起的激发效应分别比小麦和玉米连作增加了27–38%和22–26%，但大豆种植频率对于小麦和玉米轮作系统中PE的影响不显著(图1)。在小麦和玉米轮作系统中，大豆的参与增加了土壤C/N比以及真菌生物量，降低了土壤B/F比，进而促进了土壤激发效应强度(图2)，但大豆种植频率对土壤有机碳激发效应的影响不显著，该结论在一定程度上可为通过调整豆科作物参与的轮作体系促进土壤固碳提供了依据。

相关研究成果近期发表在农林科学领域国际期刊《Plant and Soil》上。中国科学院东北地理与农业生态研究所博士研究生戴闪闪为第一作者，李禄军研究员为通讯作者。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项(XDA28010301)等项目联合资助。

图1 不同小麦和玉米轮作系统中土壤有机碳矿化、激发效应(PE)和葡萄糖分解

图2 土壤有机质激发效应强度(PI)与土壤C、N以及微生物性质之间的关系

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https://doi.org/10.1007/s11104-023-05947-2