日本东北地区稻田土壤有机质和秸秆分解的温度敏感性以及对水分的响应

发布时间：2018-06-25 19:22

本文选题：~(13)C和~(15)N标记 + 培养试验　；参考：《华中农业大学》2017年博士论文

【摘要】：全球气候变暖是人类共同面临的严峻挑战,稻田生态系统在全球气候变暖中起着十分重要的作用。如何增强水稻秸秆还田的固碳能力和减少其引起甲烷(CH_4)大量排放的研究日益引起人们的广泛关注。本文以日本山形地区稻田土壤和~(13)C、~(15)N标记的水稻秸秆为研究对象,利用室内好氧和厌氧培养试验,模拟该地区水稻休闲期和生长期间的水热条件,研究了土壤有机质和秸秆分解对温度和水分的响应特征。此外,利用二氧化碳(CO_2)和CH_4排放量、土壤有机碳(SOC)含量变化和δ~(13)C值三种方法计算了秸秆碳素在好氧和厌氧培养期间的分解率,用δ~(15)N值计算了秸秆氮素在厌氧过程中的反硝化率,并探讨了以上几种方法的可信度。主要研究结果如下:1. 24周好氧培养的结果显示,土壤温度和水分对土壤CO_2排放量具有显著的促进作用,且土壤温度和水分之间存在显著的正交互作用(P0.01)。SOC含量和δ~(13)C值随培养时间分别表现出缓慢下降和上升的趋势。温度对稻田土壤SOC含量的下降和δ~(13)C值的上升具有明显的促进作用。土壤水分对24周好氧培养期间土壤的δ~(13)C值始终无显著影响,而土壤水分对SOC含量的显著影响只限于好氧培养的第12周和24周。厌氧培养期间,稻田土壤中CH_4和CO_2的排放量均随前期温度的升高而显著降低(P0.05)。这与易分解的底物在好氧培养期间,随土壤温度的升高而被大量消耗有关。前期好氧培养期间的土壤水分对CO_2的排放具有显著的影响,而对CH_4的排放无显著的影响,这可能与好氧培养期间硝态氮(NO_3~--N)的大量积累有关。±5℃的冻融过程对该地区稻田土壤CO_2和CH_4排放没有显著的影响。2.添加秸秆土壤SOC的好氧分解随土壤温度和水分的升高而显著加快(P0.05)。秸秆的添加极大地促进了高温淹水培养条件下土壤中CH_4的排放量,表明秸秆是稻田CH_4排放的主要来源。除L5/±5处理外,其它温度和水分处理下,用生成CO_2的排放量所计算秸秆有机碳的温度敏感性系数(Q10)都要比25/15 ℃温度处理下的要大,表明低温(±5 ℃和5 ℃)条件下的秸秆有机碳的分解要比高温(15 ℃和25 ℃)条件下更敏感。随着前期好氧培养阶段有效底物的大量消耗,高温淹水培养条件下,添加秸秆土壤CH_4和CO_2排放量随前期好氧培养温度的升高而显著降低。这是由于前期低温处理下大量未分解的有机底物为后期30 ℃高温条件下产CH_4菌提供了充足的碳源和能量,后期淹水的厌氧条件使得Eh逐渐下降,也为产CH_4过程创造了有利的条件。该结果暗示在某一温度和水分范围内改善水稻休闲期秸秆还田稻田中的水热条件,可以有效减少来年水稻生长期间由秸秆所引起的CH_4排放量。用SOC含量、CO_2和CH_4排放量以及δ~(13)C值三种参数所计算的水稻秸秆中碳的总分解率(好氧+厌氧)的变化范围分别为45.0%～64.2%, 29.8%～48.1%和 25.7%～34.4%。本研究中,由于 CO_2和 CH_4排放量对温度和水分的响应要比SOC和δ~(13)C值更敏感,因而用其计算秸秆中碳的分解率的可信度最高。3. 24周好氧培养结束后,各土壤温度和水分处理间的稻田土壤总有机氮(TN)含量无显著的差异。铵态氮(NH_4~+-N)浓度随温度的升高和培养时间的延长而显著降低。而NO_3~--N浓度却表现为随温度的升高和培养时间的延长而显著上升,表明温度显著促进了土壤有机氮的矿化(P0.05)。然而,水分对土壤中NH_4~+-N和NO_3~--N浓度的变化均没有显著的影响。该结果表明土壤水分对土壤有机氮好氧矿化的影响不如温度处理那样效果明显。这是由于本研究的好氧培养期间,空气充足,土层较薄(1 cm),使得土壤水分条件的改变没有成为阻碍空气向土壤孔隙中扩散的限制因素。厌氧培养期间,±5 ℃和5 ℃下的稻田土壤有机氮的净矿化量(NH_4~+-N生成量)明显比15 ℃和25 ℃条件下的要高,这可能是由于前期好氧培养过程中的高温条件使NH_4~+-N更易被微生物所固持或通过硝化作用被大量转化成为NO_3~--N。高水分条件下(100%WFPS)的土壤有机氮的净矿化量比低水分条件下(60% WFPS)的要小。这表明前期好氧培养期间的高水分处理会抑制后期厌氧培养过程中土壤有机氮的矿化作用。4.添加~(15)N标记水稻秸秆的土壤中TN含量和δ~(15)N值随好氧培养时间的变化不明显,也不受好氧培养期间土壤温度和水分的显著影响。好氧培养期间,添加秸秆稻田土壤的NH_4~+-N浓度随温度的升高而下降,却随水分的升高而增加。添加秸秆稻田土壤NH_4~+-N和NO_3~--N浓度均低于对照土壤。该结果表明秸秆的添加促进了微生物对原有土壤矿质氮素的固持。厌氧培养期间,NH_4~+-N生成量随前期温度和水分的增加而显著的升高。以上结果表明,好氧培养期间的增温和增湿处理不仅可以促进土壤微生物对添加秸秆土壤中无机氮的固持作用,同时也会促进后期高温淹水培养期间秸秆中有机氮的矿化。由于对照土样和添加秸秆土样在干燥过程中可能会发生氨化作用造成~(15)N和~(14)N的分馏,因而用δ~(15)N值来计算秸秆氮素的反硝化率会高估氮素的损失,具体原因还有更待进一步的研究。综上所述,本研究结果表明休闲期的土壤温度和水分不仅会影响土壤有机质和秸秆的好氧分解,而且还会对后续的厌氧分解产生很大的影响。水分对土壤有机质和秸秆分解转化的影响不如温度明显。休闲期间对山形县稻田采取适当的增温措施可以有效地减少秸秆所导致来年生长期间稻田CH_4的大量排放。本研究初步揭示了温度和水分条件对稻田土壤有机质和秸秆中碳、氮矿化的调控规律,可以为当地通过优化秸秆还田的田间管理来减少CH_4排放提供一定的科学依据。
[Abstract]:The results are as follows : 1 . The results of aerobic and anaerobic culture in paddy field show that the soil temperature and moisture content have no significant effect on CO _ 2 emission during aerobic and anaerobic culture . The results of this study are as follows : 1 . The soil moisture has no significant effect on the soil temperature and moisture content during aerobic culture . The results show that the soil moisture has no significant effect on the soil CO _ 2 and CH4 emission during aerobic culture . The results showed that the content of NH _ 4 ~ + - N and NO _ 3 ~ - N increased with the increase of the temperature and the content of NH _ 4 ~ + - N in the soil . The results showed that the content of NH _ 4 ~ + - N and NO _ 3 ~ - N in the soil were significantly higher than those of control soil during aerobic culture .
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S151.9

【参考文献】