生态学报  2017, Vol. 37 Issue (18): 6167-6175

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吴家梅, 霍莲杰, 纪雄辉, 谢运河, 田发祥, 彭华, 朱坚, 官迪
WU Jiamei, HUO Lianjie, JI Xionghui, XIE Yunhe, TIAN Faxiang, PENG Hua, ZHU Jian, GUAN Di.
不同施肥处理对土壤活性有机碳和甲烷排放的影响
Effects of organic manure application on active soil organic carbon and methane emission in paddy soils
生态学报. 2017, 37(18): 6167-6175
Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(18): 6167-6175
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201606181181

文章历史

收稿日期: 2016-06-18
网络出版日期: 2017-04-25
不同施肥处理对土壤活性有机碳和甲烷排放的影响
吴家梅 1,2, 霍莲杰 3, 纪雄辉 1,2, 谢运河 1, 田发祥 1, 彭华 1, 朱坚 1, 官迪 1     
1. 湖南省土壤肥料研究所, 农业部长江中游平原农业环境重点实验室, 长沙 410125;
2. 南方粮油作物协同创新中心, 长沙 410125;
3. 河南省新悦环境科学技术研究发展有限公司, 洛阳 471000
摘要: 通过采集田间试验区连续3a施入有机肥的稻田耕层土壤,分析土壤中微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)和可矿化有机碳(readily mineralizable carbon,RMC)等活性有机碳的含量,稻田甲烷(CH4)的排放通量,探讨施用有机肥的土壤活性有机碳变化及与CH4排放的关系。研究结果显示:(1)施有机肥对土壤中的活性有机碳均有一定的促进作用。3a不同施肥处理土壤中DOC、ROC、MBC和RMC的平均含量分别为383.6、2501.2、640.4 mg/kg和291.7 mg/kg。3a施猪粪(猪粪+化肥,PM)、鸡粪(鸡粪+化肥,CM)和稻草(稻草+化肥,RS)的DOC的含量分别比化肥(CF)处理增加5.6%、6.7%和19.3%,ROC的含量分别比CF增加6.6%、8.4%和9.8%;MBC含量分别比CF增加5.1%、14.8%和21.5%,RMC增加6.8%、22.0%和33.9%。不同施肥处理的稻田土壤活性有机碳为分蘖期高于成熟期。(2)施肥处理显著增加稻田CH4排放,CH4分蘖期的排放通量是成熟期的143倍,3a PM、CM和RS处理的CH4排放分别比CF处理增加37.0%(P < 0.05)、92.7%(P < 0.05)和99.4%(P < 0.05)。(3)不同施肥处理的DOC、ROC、MBC和RMC含量与CH4排放通量均存在显著正相关关系,ROC与CH4排放的相关系数最高,为0.754(P < 0.01),且4种有机碳间关系密切。稻田分蘖期土壤中的活性有机碳与稻田CH4排放呈显著正相关关系。(4)综合分析,在4种有机碳中,土壤中ROC和MBC的含量直接影响CH4排放。
关键词: 土壤活性有机碳     水溶性有机碳     微生物量碳     易氧化有机碳     可矿化有机碳     甲烷排放    
Effects of organic manure application on active soil organic carbon and methane emission in paddy soils
WU Jiamei 1,2, HUO Lianjie 3, JI Xionghui 1,2, XIE Yunhe 1, TIAN Faxiang 1, PENG Hua 1, ZHU Jian 1, GUAN Di 1     
1. Institute of Soil and Fertilizer in Hunan Province, Key Laboratory of Agro-Environment in Midstream of Yangtze Plain, Minister of Agriculture, Changsha 410125, China;
2. China Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410125, China;
3. He'nan Xinyue Environmental Science and Technology Research and Development Co., Ltd., Luoyang 471000, China
Abstract: Active soil organic carbon (ASOC) is an important component of soil. It plays a critical role in soil organic carbon turnover processes, which potentially contribute to future climate change. The properties of ASOC and its effects on methane (CH4) emission from paddy soils remain unclear, and were therefore investigated in the present study. We determined ASOC, including microbial biomass carbon (MBC), dissolved organic carbon (DOC), readily oxidized organic carbon (ROC), and readily mineralizable carbon (RMC), for 3 consecutive years after application of organic fertilizer. The treatments used were as follows: (1) no fertilizer (NF); (2) chemical fertilizer (CF); (3) pig manure +chemical fertilizer (PM); (4) chicken manure + chemical fertilizer (CM); and (5) rice straw + chemical fertilizer (RS). The results demonstrated that (1): ASOC increased upon application of organic manures. The 3-year average content of ASOC in DOC, ROC, MBC, and RMC was 383.6, 2501.2, 640.4, and 291.7 mg/kg, respectively. The content of soil DOC, ROC, MBC, and RMC under different treatments was in the following order: RS > CM > PM > CF > NF. The content of DOC was 5.6%, 6.7%, and 19.3% higher in PM, CM, and RS, respectively, than in CF. The content of ROC increased by 6.6%, 8.4%, and 9.8% with PM, CM, and RS, respectively, over that in the CF treatment. The PM, CM, and RS treatments showed 5.1%, 14.8%, and 21.5% higher MBC contents and 6.8%, 22.0%, and 33.9% higher RMC contents, respectively, than CF treatment. The ASOC content was higher at the tillering stage than at the maturity stage. (2): The CH4 emissions significantly increased with application of organic manure. The CH4 emissions under different treatments were in the following order: RS > CM > PM > CF > NF. The CH4 emission in PM, CM, and RS treatments increased by 37.0% (P < 0.05), 92.7% (P < 0.05), and 99.4% (P < 0.05), respectively, over those in the CF treatment. The CH4 emission was 142-fold higher at the tillering stage than at the maturity stage. (3): With the increasing duration of application, CH4 emission at rice tillering stage increased in different treatments. Positive correlations were observed among DOC, ROC, MBC, and RMC in all treatments. DOC, ROC, MBC, and RMC contents were strongly correlated with CH4 emission, (e.g., the highest correlation coefficient between ROC and CH4 emission, r=0.754, P < 0.05). The contents in DOC, ROC, MBC, and RMC at the tillering stage had a significant correlation with CH4 emission, with correlation coefficients of 0.537(P < 0.01), 0.754(P < 0.01), 0.728(P < 0.01), and 0.431(P < 0.01), respectively. However, no significant correlation was observed at the maturity stage. In conclusion, ASOC content showed a close correlation with CH4 emission, especially ROC and MBC content, which might be directly associated with CH4 emission. The results of the present study suggest that, among the treatments tested, pig manure is the best organic fertilizer because the soil has lower ROC and MBC contents.Application of pig manure could be an effective measure to improve the quality of the soil, render it suitable for sustainable development, and mitigate CH4 emissions.
Key words: active soil organic carbon     dissolved organic carbon     microbial biomass carbon     easily oxidized organic carbon     mineralizable organic carbon     methane emission    

土壤活性有机碳指在一定的时空条件下, 受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性、在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、分解、易矿化, 其形态, 空间位置对植物、微生物来说活性比较高的那一部分土壤碳素[1], 虽然占总有机碳的比例很小, 但在碳循环中起着极为重要的作用[2], 对区域微环境的变化相应更为敏感的碳组分[3], 已经成为土壤、环境、生态等学科领域研究的焦点之一。活性有机碳组分较多, 有学者认为土壤中的微生物量碳(MBC), 水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)和可矿化有机碳(RMC)是土壤活性有机碳的主要表征指标[1, 4], 可以敏感地反映土壤碳的变化, 改善土壤质量以及维护土壤碳库平衡等方面具有重要意义[5-6]

土壤中MBC、DOC、ROC和RMC在施肥、耕作方式、土壤利用方式等对碳库的影响研究较多, 但在稻田生态系统中, 土壤活性有机碳动态变化及与土壤碳作为基质的CH4排放关系研究较少, 稻田CH4排放研究是当今的热点问题。Bridgham和Richardson [7]等认为有机质中活性有机碳的多少决定了土壤产CH4潜能的强弱和CH4 产量的高低。作为土壤中周转较快的活性有机碳, 哪种组成对土壤碳分解产生的CH4排放影响最大尚不清楚。本研究采用不同有机肥施入稻田的小区试验, 研究土壤活性有机碳在稻田CH4排放高峰和低谷的动态变化, 以揭示土壤活性有机碳的含量及与稻田CH4排放的关系, 为稻田土壤活性有机碳的进一步研究和科学预测土壤活性有机碳对CH4排放变化的响应提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验地点位于湖南省长沙县干杉乡大屋组的水稻田(28°08′18″N, 113°12′0″E), 海拔42 m, 年平均温度为17.1℃, 年降水量1500 mm, ≥10℃年积温5300—6500℃, 为南方典型的水稻生产区。土壤类型为第四纪红壤发育的红黄泥水稻土, 化学性状:土壤pH 6.0、有机质33.3 g/kg、全氮2.04 g/kg、全磷0.85 g/kg、全钾9.2 g/kg、碱解氮212 mg/kg、有效磷11.1 mg/kg、速效钾97 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在2010—2012年开展, 设置5个处理, 分别为:不施肥、化肥、化肥+猪粪(猪粪, PM)、化肥+鸡粪(鸡粪, CM)和化肥+稻草(稻草, RS)。每个处理3个重复, 采用单因素随机区组设计, 每个处理的施肥量见表 1。前季作物为水稻, 插秧前期田间保持淹水状态。氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为氯化钾, 有机肥为风干样品。稻草为一季稻收获的稻草平均产量7500 kg/hm2全部还田, 再根据稻草的含碳量计算出施入稻田的总碳量, 为保持稻田施入的总碳量相同, 猪粪和鸡粪也相应的计算出施肥的总量, 从而计算出施入稻田的有机肥的氮、磷和钾的含量, 有机肥中氮素和钾素不够用尿素和氯化钾补充, 由于鸡粪的有机碳含量比稻草低, 其含磷和钾比稻草高, 猪粪的总磷高, 致使施入鸡粪处理的磷钾肥和猪粪处理的磷肥超过化肥处理相应的施用量。

表 1 不同处理的施肥量 Table1 Fertilizer application rates of different treatments
处理
Treatments
化肥
Chemical fertilizer/(kg/hm2)
有机肥
Organic manures/(kg/hm2)
总养分
Nutrient amount/(kg/hm2)
N P2O5 K2O C N P2O5 K2O N P2O5 K2O
NF 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
CF 270 135 180 0 0 0 0 270 135 180
PM 112 0 70 2850 158 197 110 270 197 180
CM 74 0 0 2850 196 218 197 270 218 197
RS 234 129 68 2850 36 6 112 270 135 180
NF:无肥no fertilizer;CF:化肥chemical fertilizer;PM:猪粪pig manure + chemical fertilizer;CM:鸡粪chicken manure+ chemical fertilizer;RS:稻草rice straw+ chemical fertilizer

稻草剪成约20 cm小段, 踩入田间, 其他肥料撒入田间, 与土壤混匀。水分管理和病虫草害防治与当地大面积生产相一致。水稻品种为准两优608。

1.3 采样与分析

水稻分蘖期、成熟期取土壤和气体样品测定。气体样品的采集和测定方法见吴家梅的文献[8]。每个小区取5个土样混合, 清除土样中的植物根系、凋落物和砂砾等, 风干过0.25mm土壤筛, 用于测定DOC、MBC、ROC和RMC含量。DOC采用水土比5:1, 蒸馏水浸提、震荡, 离心过0.45μm滤膜, 上TOC仪测定[9], MBC采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法, 滤液在TOC仪上测定[10];ROC采用33mmol/L高锰酸钾比色法测定[11], RMC的培养为称12g风干样品, 加入田间持水量的60%, 按Yagi和Minami的方法培养和测定[12]

1.4 数据处理

数据经Excel 2007整理后, 采用SPSS 17.0软件对数据进行单因素方差分析(ANOVA), LSD(P=0.05或0.01) 比较不同处理土壤活性有机碳含量之间的差异。土壤活性有机碳各组分与CH4排放通量间的相关性分析采用Pearson检验法。土壤活性有机碳组分与CH4排放通量采用多元线逐步回归法进行分析。

2 结果与分析 2.1 不同施肥处理土壤DOC的含量变化

3a连续不同施肥处理稻田土壤DOC含量为261.3—587.3 mg/kg(图 1), 平均值为383.6 mg/kg。同一水稻生长季节, 相同处理的DOC含量均为分蘖期高于成熟期(除2011年RS处理外)。不同年份间, 施有机肥处理第1年和第2年分蘖期和成熟期的变化不大, 施肥第3年后, 分蘖期和成熟期相同处理的DOC含量明显高于前两年的含量, 不同处理分蘖期3a DOC的平均含量分别为400.2 mg/kg, 比成熟期高8.7%。

图 1 不同处理土壤DOC含量变化 Fig. 1 Variations of soil DOC content under different fertilization treatments NF:无肥no fertilizer;CF:化肥chemical fertilizer;PM:猪粪pig manure + chemical fertilizer;CM:鸡粪chicken manure+ chemical fertilizer;RS:稻草rice straw+ chemical fertilizer

施肥后稻田土壤的DOC含量增加, 而有机肥处理含量又高于化肥处理。不同处理分蘖期和成熟期DOC含量均为RS>CM>PM>CF>NF, 3a PM、CM和RS处理分蘖期的DOC含量分别比CF处理增加4.7%、5.6%和18.4%;3a PM、CM和RS处理成熟期的DOC含量分别比CF处理增加6.4%、7.8%和20.2%, 不同施肥处理的PM、CM和RS的平均含量分别比CF增加5.6%、6.7%和19.3%。施肥第1年和第2年不同处理不同生育期的DOC含量无显著性差异, 第3年RS处理的水稻分蘖期的DOC含量分别比CF、PM和CM高6.2%(P<0.05)、10.7%(P<0.05) 和39.7%(P<0.05)。

2.2 不同施肥处理土壤ROC的含量变化

不同施肥处理稻田土壤ROC的含量2193.0—2816.3 mg/kg(图 2), 其平均含量为2501.2 mg/kg。同一水稻季节, 相同处理分蘖期ROC含量高于成熟期, 3a不同处理分蘖期ROC的平均含量为2507.9、2622.0 mg/kg和2973.8 mg/kg, 分别比同季成熟期高92%、11.4%和20.2%。分蘖期和成熟期的ROC含量均随着施肥年份的增加而增加, 施肥第3年ROC的含量均高于前两年。

图 2 不同处理土壤ROC含量变化 Fig. 2 Variations of soil ROC content under different fertilization treatments

同一季节, 不同处理的ROC平均含量均为RS>CM>PM>CF>NF。水稻分蘖期:施肥第1年不同处理的ROC含量无明显影响, 施肥第2年, RS处理比CF处理增加11.4%(P<0.05), 施肥第3年, RS、CM和PM处理的ROC含量比CF处理增加19.1%(P<0.05), 13.8(P<0.05) 和15.7%(P<0.05), 有机肥间无显著性差异。3a PM、CM和RS的施肥处理分蘖期ROC的平均含量分别比CF处理增加7.3%、9.5%和10.3%。水稻成熟期:施有机肥第1年, 不同处理间无显著性差异, 施肥第2年, RS处理的ROC含量明显高于NF处理, 施肥第3年, RS、CM和PM处理的ROC含量分别比CF处理增加5.2%(P<0.05), 6.7(P<0.05) 和9.6%(P<0.05), 3a成熟期PM、CM和RS处理的ROC平均含量分别比CF增加5.9%、7.3%和9.4%。水稻不同生长时期的PM、CM和RS分别比CF增加6.6%、8.4%和9.8%。

2.3 不同施肥处理土壤MBC的含量变化

3a连续不同施肥处理稻田土壤MBC的含量为392.0—926.6 mg/kg(图 3)。同一水稻季节, 生育期和成熟期的MBC含量分别为614.9 mg/kg和519.1 mg/kg。MBC含量随施肥年份的增加而增加, 3a不同处理分蘖期MBC平均含量为569.9、691.0 mg/kg和831.8 mg/kg, 2012年分蘖期土壤MBC含量比分别比2011年和2012年同一时期高121.1 mg/kg和269.1 mg/kg。施肥处理的成熟期的含量比分蘖期少5.3%—28.6%。

图 3 不同处理土壤MBC含量变化 Fig. 3 Variations of soil MBC content under different fertilization treatments

同一季节, 不同处理的MBC平均含量均为RS>CM>PM>CF>NF。3a不同施肥处理, 分蘖期的PM、CM和RS处理的MBC含量分别比CF处理高1.8%、11.4和19.3%。施肥第1年, 分蘖期不同处理间无显著性差异, 施肥第2年, RS、CM和PM处理分蘖期的MBC含量比CF处理增加2.9%(P<0.05), 19.7(P<0.05) 和28.5%(P<0.05), 施肥3a的RS和CM处理分蘖期的MBC含量比CF处理增加8.9%(P<0.05) 和11.9(P<0.05)。施肥第1年和第2年成熟期的RS处理的MBC含量显著高于NF处理, 其他均无显著性差异。不同水稻生育时期PM、CM和RS处理的MBC平均含量分别比CF增加5.1%, 14.8%和21.5%。

2.4 不同施肥处理土壤RMC的含量变化

3a不同处理水稻分蘖期的土壤RMC平均含量为291.7 mg/kg(图 4), 3a分蘖期比成熟期的RMC含量高30.9%。

图 4 不同处理土壤RMC含量变化 Fig. 4 Variations of soil RMC content under different fertilization treatments

施肥第1年和第2年不同处理水稻分蘖期RMC含量差别不大, 但施入有机肥处理略高于无肥处理, 施肥第3a RMC含量差别逐渐变大, 尤其是RS处理, 比PM和CF分别增加50.0%(P<0.05) 和71.0%(P<0.05)。施肥第1年和第2年的成熟期不同处理的RMC含量间无显著性差异, 施肥3a后, 成熟期RS、CM和PM处理分别比CF处理增加71.1%(P<0.05)、70.6%(P<0.05) 和141.4%(P<0.05), 比NF增加66.9%(P<0.05)、101.2%(P<0.05) 和101.8%(P<0.05)。

NF处理的RMC最低(除2011年成熟期外), 分别比同一水稻季节CF、PM、CM和RS处理的RMC减少87.7—417.3 mg/kg。3a不同水稻时期RMC平均含量分别比CF增加7.4%、20.7%和34.1%。

2.5 CH4排放通量

CH4排放通量可见(表 2), 水稻分蘖期稻田CH4排放通量15.4—59.6 mg m-2 h-1, 成熟期排放通量为0.1—0.7 mg m-2 h-1, 3a稻田CH4平均排放通量分别是成熟期的45、89和295倍。水稻分蘖期, 随着施肥年份的增加, 排放通量增加, 成熟期不同处理的CH4排放通量低, 且随年季变化不大, 不同处理间无显著性差异。不同年份、不同时期CH4排放通量均为RS>CM>PM>CF和NF。

表 2 不同施肥处理的排放通量/(mg m-2 h-1) Table2 CH4 emissions under different fertilization treatments
处理
Treatments
2010 2011 2012
分蘖期Tillering 成熟期Maturity 分蘖期Tillering 成熟期Maturity 分蘖期Tillering 成熟期Maturity
NF 15.4±2.5 b 0.6±0.7 a 26. 6±5.4 b 0.3±0.1 a 27.3±4.8 c 0.2±0.1 a
CF 17.3±1.6 b 0.4±0.3 a 26.1±2.2 b 0.4±0.1 a 29.9±4.2 c 0.1±0.0 a
PM 23.8±3.0 b 0.5±0.7 a 27.4±2.9 b 0.2±0.0 a 41.0±0.5 b 0.2±0.1 a
CM 19.8±5.0 b 0.3±0.2 a 33.6±5.1 b 0.5±0.4 a 57.6±1.9 a 0.1±0.1 a
RS 37.0±8.4 a 0.7±0.5 a 55.7±7.2 a 0.5±0.1 a 59.6±3.6 a 0.2±0.1 a
平均值±标准差, 表中同一列数据不同字母表示达到了5%的显著水平

施入有机肥处理第1年和第2年分蘖期的CH4排放通量高于NF和CF处理, NF、CF、CM和PM处理间无明显差异, RS处理明显高于其他处理, 施肥第3年有机肥处理明显高于CF和NF处理, RS处理最高, 其次为CM处理, 明显高于PM处理, RS、CM和PM处理分别比NF处理增加50.0%(P<0.05)、110.9%(P<0.05) 和118.3%(P<0.05), 比CF处理增加37.0%(P<0.05)、92.7%(P<0.05) 和99.4%(P<0.05)。

2.5 土壤活性有机碳含量间的关系及与稻田CH4排放的关系

稻田土壤不同组分活性有机碳分别与稻田CH4进行相关性分析, 不同组分的土壤活性有机碳与CH4排放均呈极显著正相关关系(表 3), 以ROC与CH4排放通量的相关系数最大, 说明此类有机碳与CH4排放的关系最密切。不同的活性有机碳间也存在极显著正相关关系, 可见稻田土壤中不同组分的活性有机碳间的关系密切。4种活性有机碳采用多元逐步回归法与稻田CH4进行分析, 结果表明, ROC和MBC与稻田CH4有一定关系, 回归方程y= -121.239 + 0.055x1(p<0.01) 和y= -122.155 + 0.049x1 + 0.028x2(P<0.01)(y为CH4排放通量, x1为ROC, x2为MBC)。可见稻田土壤中的ROC和MBC含量显著影响稻田CH4排放。

表 3 稻田土壤活性有机碳与CH4排放通量的相关性 Table3 Correlation analysis between active soil organic carbons and CH4 fluxes
项目Item DOC/(mg/kg) ROC/(mg/kg) MBC/(mg/kg) RMC/(mg/kg) CH4/(mg m-2 h-1)
DOC/(mg/kg) 1
ROC/(mg/kg) 0.576** 1
MBC/(mg/kg) 0.366** 0.509** 1
RMC/(mg/kg) 0.299** 0.448** 0.435** 1
CH4/(mg m-2 h-1) 0.391** 0.811** 0.542** 0.486** 1
**表示极显著相关P<0.01

稻田土壤分蘖期和成熟期不同组分活性有机碳与CH4排放进行相关分析, 分蘖期DOC、ROC、MBC和RMC含量与CH4排放存在呈极显著正相关, 其相关系数分别为0.537(P<0.01)、0.754(P<0.01)、0.728(P<0.01) 和0.431(P<0.01), 而成熟期稻田土壤的活性有机碳与CH4排放均无相关性, 可见分蘖期的土壤活性有机碳与CH4排放密切相关。

3 讨论 3.1 不同的活性有机碳组分

许多研究表明, 无论是短期还是长期有机肥配施化肥, 均有利于提高土壤DOC含量[2, 13-15]。本研究也表明3a施入猪粪、鸡粪和稻草有机肥的DOC平均含量分别比NF增加5.7%、6.7%和19.3%。有机肥施入能增加土壤中的DOC含量, 可能的原因是有机肥施入改善土壤速效养分状况[16], 提高土壤肥力, 进而促进根系和地上部的生长, 从而增加根系分泌物和有机残体等作物的归还量, 有机肥的施用又增加了土壤有机碳库, 在微生物作用下分解释放更多的水溶性有机碳[9, 17]

土壤中ROC含量对土壤管理措施的改变反应敏感[11, 14, 18]。本研究表明, 无论是分蘖期和是成熟期的稻田土壤, 施用有机肥处理的ROC含量均高于CF处理, 也与前人的研究结果保持一致[14, 19-20]。可能的原因是有机肥或者有机物肥配施稻田, 增加的外源有机碳投入, 为微生物提高了充足的碳源, 促进微生物的生长, 提高其活性, 降低了土壤中有机质的氧化稳定性[13, 21], 能明显提高土壤ROC含量[14]

稻田中施用有机肥能明显提高土壤MBC含量, 与Lagomarsino[22]、Wang[2]和Rehman[23]等的研究结果相同。有机肥施入稻田后, 改善土壤物理结构[24], 提高土壤微生物学特性, 影响土壤有机碳的生物降解过程[9, 25], 而土壤MBC是土壤中所有活微生物体的总量, 因此, 有机肥的施入能提高土壤中MBC的含量。

施用有机肥处理提高土壤中RMC的含量[26-27]。本研究中, PM、CM和RS处理的土壤RMC分别比施入化肥处理提高7.4%、20.7%和34.1%。可能的原因是有机肥的施入及根系和植物凋落物的增加, 致使土壤中的有机物增加, 土壤中的容易分解的有机碳的也相应增加[26]。土壤中微生物也相应增加, 致使RMC含量增加。

水稻生长过程中, 随着生育期的推移, 气温逐渐升高, 微生物活性增强, 水稻分蘖期的气温高于水稻成熟期, 水稻分蘖期根系活力也高于成熟期, 有机肥自身含有的有机碳被大量分解, 根系活力增强, 致使土壤中的活性有机碳组分为分蘖期高于成熟期。水稻施有机肥第1年和第2年, 土壤中的活性有机碳变化差异不大, 施肥第3年土壤中活性有机碳明显高于前2a, 可能的原因是, 有机物在第1年分解迅速, 第2年以后分解缓慢[28], 施肥第3年的土壤中有当季有机物的分解, 还有前两年的有机肥残留的分解, 因此经过3a的施肥累积, 对土壤中活性有效碳的影响效果凸显, 致使第3年的活性有机碳比前2年高。

土壤中RS处理的RMC含量最高, 其次是CM和PM处理。可能是3种有机肥中, 有不同的碳氮比(C/N), 分别为稻草>鸡粪>猪粪, 有研究表明, 有机肥施入土壤后一定时间范围内, 土壤中的C/N越高, 土壤中的微生物碳的水平也越高[29-30], 因而造成了土壤中的MBC含量为RS>CM>PM。土壤MBC是土壤有机碳中最活跃的组分[31], 与土壤碳的转化有密切关系, 其含量高低是衡量土壤肥力的重要指标[32], 土壤中的RMC越高, 土壤中稻草的矿化速度较慢, 使之施入有机肥足以补偿水稻生长过程对土壤有机质的耗损, 在土壤中逐年积累, 其他研究者和本研究都表明了活性有机碳间有显著的正相关关系[2, 18, 33], 因此造成了DOC、ROC和RMC的含量也是RS>CM>PM。

3.2 不同的活性有机碳组分与CH4排放关系

DOC在养分循环和淹水稻田的CH4产生中起着重要的作用[34], 土壤DOC容易被微生物所利用[35-36], Vermoesen等的培养试验证实土壤中DOC含量与淹水土壤的CH4排放呈正相关, 主要是由于土壤DOC作为土壤微生物的碳源和能源, 为CH4菌提供基质, 从而增加CH4排放。而焦燕等[36]表明稻田土壤中的DOC与CH4排放无明显相关性, 可能的原因为有机物料的加入, 为产CH4菌活[37]动提供碳源的物质不仅来自土壤本身的碳、水稻根系分泌物, 同时有机物物料提供的碳也是重要来源。而已证明土壤DOC含量主要来自水稻根系分泌物[26, 38-39], CH4排放与水稻根际DOC的含量呈正相关关系, 而与非根际土壤DOC含量无相关系[39], 故有机物料处理的土壤DOC含量对CH4排放的贡献与其他碳源相比可能微不足道[36], 焦燕等取的土壤样品也为非根际土壤, 因此稻田土壤中的DOC含量与CH4排放无相关性。

作为土壤中CH4产生的底物, 土壤中的碳对其产生和排放具有重要影响, 本研究表明, 土壤中的几种活性有机碳对CH4的排放均有一定的影响, 但相对其他的活性有机碳, 土壤中ROC的含量对CH4的影响更大, 曾从盛[33]等在湿地的研究证实可能是CH4的产生和排放过程对环境的响应非常敏感, 土壤中的ROC是指示不同生境厌氧条件下碳分解潜力的主要碳源, 厌氧条件下碳分解主要有CH4和CO2, 可见, 厌氧条件下稻田土壤中的CH4主要来自土壤中的ROC。

土壤微生物群落调节有机物的分解和养分循环, 在维持生态系统的可持续性和功能方面起着重要的作用。由于其人为干扰和对环境变化的敏感, 土壤MBC已经被广泛的研究。本研究证实土壤中的MBC含量与稻田CH4排放呈显著正相关关系, 且直接影响CH4排放。

不同施肥处理的稻田土壤RMC含量与稻田CH4排放呈显著正相关关系(r=0.542, P<0.01)。与其他研究者也认为土壤中的RMC与CH4排放有一定关系。Bossio等用土壤中RMC含量指示土壤活性有机碳浓度, 外加秸秆后土壤中的RMC与CH4排放密切相关[40], Wang等研究连续施用4a秸秆的土壤RMC含量增加1.5倍, 土壤CH4排放增加5倍多[41], Yagi和Minami研究发现, 在不同类型土壤和不同稻草和厩肥还田试验中, RMC含量与CH4排放呈直线关系, 是影响淹水稻田CH4排放的主要因素之一[12], Mishra等研究证实, RMC与CH4排放之间的相关性达显著水平(r=0.938), RMC可以用作预示土壤有机质被产甲烷菌利用的强度[42]。可见土壤中的RMC含量密切影响稻田CH4的排放。

4 结论

施有机肥提高土壤活性有机碳含量, 有机肥处理的土壤DOC、ROC、MBC和RMC含量分别比化肥处理增加5.6%—19.3%、5.1%—21.5%和6.8%—22.9%。不同施肥处理的活性有机碳含量均为分蘖期大于成熟期。

施有机肥刺激稻田CH4的排放, PM、CM和RS处理的CH4排放比CF处理增加37.0%(P<0.01)、92.7%(P<0.01) 和99.4%(P<0.01), 3a不同处理的排放通量均为RS>CM>PM>CF和NF。分蘖期排放通量高于成熟期。

不同活性有机碳组分与稻田CH4排放通量存在显著正相关关系, 且四种有机碳间关系密切。不同的生育时期, 以分蘖期土壤中的活性有机碳明显影响稻田CH4排放;不同活性有机碳组分, 土壤中ROC和MBC显著影响稻田CH4排放。

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