日本東北地區(qū)稻田土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解的溫度敏感性以及對(duì)水分的響應(yīng).pdf

1、全球氣候變暖是人類(lèi)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，稻田生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變暖中起著十分重要的作用。如何增強(qiáng)水稻秸稈還田的固碳能力和減少其引起甲烷(CH4)大量排放的研究日益引起人們的廣泛關(guān)注。本文以日本山形地區(qū)稻田土壤和13C、15N標(biāo)記的水稻秸稈為研究對(duì)象，利用室內(nèi)好氧和厭氧培養(yǎng)試驗(yàn)，模擬該地區(qū)水稻休閑期和生長(zhǎng)期間的水熱條件，研究了土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解對(duì)溫度和水分的響應(yīng)特征。此外，利用二氧化碳(CO2)和CH4排放量、土壤有機(jī)碳(SOC)含量變化

2、和δ13C值三種方法計(jì)算了秸稈碳素在好氧和厭氧培養(yǎng)期間的分解率，用δ15N值計(jì)算了秸稈氮素在厭氧過(guò)程中的反硝化率，并探討了以上幾種方法的可信度。主要研究結(jié)果如下:
　　1.24周好氧培養(yǎng)的結(jié)果顯示，土壤溫度和水分對(duì)土壤CO2排放量具有顯著的促進(jìn)作用，且土壤溫度和水分之間存在顯著的正交互作用(P＜0.01)。SOC含量和δ13C值隨培養(yǎng)時(shí)間分別表現(xiàn)出緩慢下降和上升的趨勢(shì)。溫度對(duì)稻田土壤SOC含量的下降和δ13C值的上升具有明顯的促進(jìn)

3、作用。土壤水分對(duì)24周好氧培養(yǎng)期間土壤的δ13C值始終無(wú)顯著影響，而土壤水分對(duì)SOC含量的顯著影響只限于好氧培養(yǎng)的第12周和24周。厭氧培養(yǎng)期間，稻田土壤中CH4和CO2的排放量均隨前期溫度的升高而顯著降低(P＜0.05)。這與易分解的底物在好氧培養(yǎng)期間，隨土壤溫度的升高而被大量消耗有關(guān)。前期好氧培養(yǎng)期間的土壤水分對(duì)CO2的排放具有顯著的影響，而對(duì)CH4的排放無(wú)顯著的影響，這可能與好氧培養(yǎng)期間硝態(tài)氮(NO3--N)的大量積累有關(guān)?！?℃

4、的凍融過(guò)程對(duì)該地區(qū)稻田土壤CO2和CH4排放沒(méi)有顯著的影響。
　　2.添加秸稈土壤SOC的好氧分解隨土壤溫度和水分的升高而顯著加快(P＜0.05)。秸稈的添加極大地促進(jìn)了高溫淹水培養(yǎng)條件下土壤中CH4的排放量，表明秸稈是稻田CH4排放的主要來(lái)源。除L5/±5處理外，其它溫度和水分處理下，用生成CO2的排放量所計(jì)算秸稈有機(jī)碳的溫度敏感性系數(shù)(Q10)都要比25/15℃溫度處理下的要大，表明低溫（±5℃和5℃）條件下的秸稈有機(jī)碳的分解

5、要比高溫（15℃和25℃）條件下更敏感。隨著前期好氧培養(yǎng)階段有效底物的大量消耗，高溫淹水培養(yǎng)條件下，添加秸稈土壤CH4和CO2排放量隨前期好氧培養(yǎng)溫度的升高而顯著降低。這是由于前期低溫處理下大量未分解的有機(jī)底物為后期30℃高溫條件下產(chǎn)CH4菌提供了充足的碳源和能量，后期淹水的厭氧條件使得Eh逐漸下降，也為產(chǎn)CH4過(guò)程創(chuàng)造了有利的條件。該結(jié)果暗示在某一溫度和水分范圍內(nèi)改善水稻休閑期秸稈還田稻田中的水熱條件，可以有效減少來(lái)年水稻生長(zhǎng)期間由秸

6、稈所引起的CH4排放量。用SOC含量、CO2和CH4排放量以及δ13C值三種參數(shù)所計(jì)算的水稻秸稈中碳的總分解率（好氧+厭氧）的變化范圍分別為45.0％～64.2％，29.8％～48.1％和25.7％～34.4％。本研究中，由于CO2和CH4排放量對(duì)溫度和水分的響應(yīng)要比SOC和δ13C值更敏感，因而用其計(jì)算秸稈中碳的分解率的可信度最高。
　　3.24周好氧培養(yǎng)結(jié)束后，各土壤溫度和水分處理間的稻田土壤總有機(jī)氮(TN)含量無(wú)顯著的差異。

7、銨態(tài)氮(NH4+-N)濃度隨溫度的升高和培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降低。而NO3--N濃度卻表現(xiàn)為隨溫度的升高和培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著上升，表明溫度顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化(P＜0.05)。然而，水分對(duì)土壤中NH4+-N和NO3--N濃度的變化均沒(méi)有顯著的影響。該結(jié)果表明土壤水分對(duì)土壤有機(jī)氮好氧礦化的影響不如溫度處理那樣效果明顯。這是由于本研究的好氧培養(yǎng)期間，空氣充足，土層較薄(＜1cm)，使得土壤水分條件的改變沒(méi)有成為阻礙空氣向土壤孔隙中擴(kuò)

8、散的限制因素。厭氧培養(yǎng)期間，±5℃和5℃下的稻田土壤有機(jī)氮的凈礦化量(NH4+-N生成量)明顯比15℃和25℃條件下的要高，這可能是由于前期好氧培養(yǎng)過(guò)程中的高溫條件使NH4+-N更易被微生物所固持或通過(guò)硝化作用被大量轉(zhuǎn)化成為NO3--N。高水分條件下(100％WFPS)的土壤有機(jī)氮的凈礦化量比低水分條件下(60％ WFPS)的要小。這表明前期好氧培養(yǎng)期間的高水分處理會(huì)抑制后期厭氧培養(yǎng)過(guò)程中土壤有機(jī)氮的礦化作用。
　　4.添加15N

9、標(biāo)記水稻秸稈的土壤中TN含量和δ15N值隨好氧培養(yǎng)時(shí)間的變化不明顯，也不受好氧培養(yǎng)期間土壤溫度和水分的顯著影響。好氧培養(yǎng)期間，添加秸稈稻田土壤的NH4+-N濃度隨溫度的升高而下降，卻隨水分的升高而增加。添加秸稈稻田土壤NH4+-N和NO3--N濃度均低于對(duì)照土壤。該結(jié)果表明秸稈的添加促進(jìn)了微生物對(duì)原有土壤礦質(zhì)氮素的固持。厭氧培養(yǎng)期間，NH4+-N生成量隨前期溫度和水分的增加而顯著的升高。以上結(jié)果表明，好氧培養(yǎng)期間的增溫和增濕處理不僅可以

10、促進(jìn)土壤微生物對(duì)添加秸稈土壤中無(wú)機(jī)氮的固持作用，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)后期高溫淹水培養(yǎng)期間秸稈中有機(jī)氮的礦化。由于對(duì)照土樣和添加秸稈土樣在干燥過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生氨化作用造成15N和14N的分餾，因而用δ15N值來(lái)計(jì)算秸稈氮素的反硝化率會(huì)高估氮素的損失，具體原因還有更待進(jìn)一步的研究。
　　綜上所述，本研究結(jié)果表明休閑期的土壤溫度和水分不僅會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈的好氧分解，而且還會(huì)對(duì)后續(xù)的厭氧分解產(chǎn)生很大的影響。水分對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解轉(zhuǎn)化的影