Sự thay đổi của carbon trong đất dưới tác động lâu dài của ngô trong hệ thống đơn canh và luân canh dựa trên đậu

Các hệ thống canh tác dựa trên đậu có thể giúp gia tăng năng suất cây trồng và nồng độ chất hữu cơ trong đất, từ đó nâng cao chất lượng đất, đồng thời có lợi ích bổ sung là lưu giữ carbon từ khí quyển. Để đánh giá tác động của 35 năm canh tác ngô đơn canh và canh tác dựa trên đậu đến nồng độ carbon trong đất và sự giữ lại của phụ phẩm, chúng tôi đã đo lường carbon hữu cơ và độ phong phú tự nhiên của ¹³C trong đất dưới các hệ thống: ngô (Zea mays L.) có phân bón và không có phân bón, cả trong hệ đơn canh và luân canh [ngô-yến mạch (Avena sativa L.)-đậu alfalfa (Medicago sativa L.)-đậu alfalfa]; các hệ thống cỏ liên tục (Poa pratensis L.), có phân bón và không có phân bón; và dưới rừng. Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) trạng thái rắn ¹³C được sử dụng để đặc trưng hóa hóa học của chất hữu cơ trong phụ phẩm thực vật và đất. Các mẫu đất (độ sâu 70 cm) dưới hệ thống canh tác ngô có khoảng 30-40% carbon ít hơn và hệ thống cỏ liên tục có khoảng 16% carbon ít hơn, so với đất dưới rừng lân cận. Sự khác biệt định tính trong phụ phẩm cây trồng rất quan trọng trong các hệ thống này, vì sự khác biệt định lượng về năng suất sơ cấp ròng và đầu vào carbon trong các agroecosystem khác nhau không giải thích cho sự khác biệt quan sát được trong tổng nồng độ carbon của đất. Chuỗi canh tác (tức là, luân canh hoặc đơn canh) có tác động lớn hơn đến nồng độ carbon trong đất hơn là việc áp dụng phân bón. Sự khác biệt về nồng độ carbon trong đất giữa các hệ thống ngô luân canh và đơn canh là khoảng 20 Mg C ha^-1. Tác động của việc bón phân đến carbon trong đất là nhỏ (~6 Mg C ha^-1), và sự khác biệt chỉ được quan sát trong hệ thống đơn canh. Các kết quả NMR cho thấy thành phần hóa học của chất hữu cơ ít bị ảnh hưởng bởi tính chất của phụ phẩm cây trồng được trả lại đất. Tổng số lượng carbon trong đất xuất phát từ ngô là khác nhau trong mỗi hệ thống, vì số lượng phụ phẩm từ ngô trở lại đất là khác nhau; vì vậy, carbon trong đất có nguồn gốc từ ngô dao động từ 23 Mg ha^-1 trong đất có phân bón và 14 Mg ha^-1 trong đất không có phân bón (tức là, sau 35 vụ mùa ngô) đến 6-7 Mg ha^-1 trong cả đất luân canh dựa trên đậu đã được bón phân và không. Tỷ lệ carbon từ phụ phẩm ngô được trả lại đất và giữ lại như carbon hữu cơ trong đất (tức là, Mg carbon trong đất có nguồn gốc từ ngô/Mg phụ phẩm ngô) là khoảng 14% cho tất cả các hệ thống canh tác ngô. Số lượng C3-C dưới lớp cày trong hệ thống luân canh dựa trên đậu lớn hơn 40% so với trong hệ thống đơn canh và khoảng giống nhau với cả đất cỏ liên tục hoặc rừng. Chất hữu cơ trong đất dưới lớp cày trong đất dưới hệ thống luân canh dựa trên đậu dường như ở dạng có khả năng chống lại phân hủy sinh học tốt hơn (tức là, có hàm lượng carbon thơm cao hơn) so với dưới hệ thống đơn canh. Việc giữ lại carbon từ phụ phẩm ngô như chất hữu cơ trong đất lớn hơn từ bốn đến năm lần dưới lớp cày so với bên trong lớp cày. Chúng tôi kết luận rằng chất lượng phụ phẩm đóng một vai trò chủ chốt trong việc gia tăng việc giữ lại carbon trong đất trong các agroecosystem và rằng đất dưới hệ thống luân canh dựa trên đậu có xu hướng "bảo quản" tốt hơn carbon từ phụ phẩm, đặc biệt là từ các đầu vào từ rễ, hơn là đất dưới hệ thống đơn canh. Từ khóa: Carbon trong đất, độ phong phú tự nhiên của ¹³C, cộng hưởng từ hạt nhân ¹³C, canh tác ngô, đậu, carbon rễ