植物物料在南方典型水稻土中的碳礦化特征及其微生物影響機(jī)制研究.pdf

1、作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)，土壤中極小的變動(dòng)就能引起大氣CO2濃度較大的波動(dòng)，在全球碳循環(huán)中起著舉足輕重的作用。土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)平衡也影響肥力，決定土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量。因此，保護(hù)和提升土壤有機(jī)碳不僅能夠影響全球氣候變化，而且對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、糧食安全都意義深遠(yuǎn)。植物物料還田是重要的固C措施之一，長(zhǎng)期以來(lái)廣為提倡。為了更好地理解土壤有機(jī)碳的累積過(guò)程和分解過(guò)程中對(duì)各種因素的響應(yīng)及機(jī)理，本文選取華中雙季稻區(qū)黃泥田為供試土壤，添加秸稈

2、進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，研究體系在一系列非生物與生物因素條件下總有機(jī)碳與土壤碳礦化特征及其微生物響應(yīng)，主要研究成果如下：
　　(1)模擬早稻和晚稻秸稈還田的田間環(huán)境，開展了兩種溫度環(huán)境(15℃/35℃)，不同水分(40％和100％田間持水量，40％WHC/100％WHC)，配施氮肥類型（尿素，U/豬糞，M）對(duì)碳氮轉(zhuǎn)化影響的研究。結(jié)果表明，土壤水分含量對(duì)碳轉(zhuǎn)化影響最大，其次是氮肥，但其影響隨著時(shí)間延長(zhǎng)而減退;整個(gè)培養(yǎng)周期兩種溫度環(huán)境中，各處理

3、CO2釋放速率和釋放總量通常表現(xiàn)為100％WHC-M＞100％WHC-U＞40％WHC-M＞40％WHC-U。且總有機(jī)碳含量和凈增量在35℃-100％WHC-U最小而15℃-40％WHC-M處理中最大(P＜0.01)。0-7 d，0-28 d，0-105 d內(nèi)依照CO2釋放計(jì)算的物料分解比例在35℃-100％WHC-U處理中最大而15℃-40％WHC-M最小。處理100％WHC-U的硝化量大于100％WHC-M，且40％WHC條件下所有

4、處理硝化量極小。土壤微生物適應(yīng)溫度以利于氮礦化，碳氮礦化的大小很大程度上取決于水分和氮素的有效性。
　　(2)通過(guò)土壤中秸稈分解過(guò)程，評(píng)價(jià)了微生物腐解菌劑對(duì)碳氮礦化的影響，菌劑（尤其真菌）在調(diào)控土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程中會(huì)適應(yīng)土壤環(huán)境和氮肥狀況，在此過(guò)程中土壤水勢(shì)對(duì)調(diào)控底物和營(yíng)養(yǎng)的可利用性起到了重要的作用。分別在15℃-70％,25℃-40％，25℃-70％，25℃-100％及35℃-70％WHC的條件下接種菌劑培養(yǎng)105天。發(fā)現(xiàn)25℃

5、-70％WHC，25℃-100％WHC和35℃-70％WHC處理的CO2產(chǎn)量顯著高于其它處理，25℃-40％WHC處理CO2產(chǎn)量最低，提升作用在添加糞肥處理較添加尿素處理更為明顯(P＜0.05)。接種菌劑普遍增加碳分解，25℃-70％WHC，25℃-100％WHC和35℃-70％WHC處理的培養(yǎng)初期28天增量最顯著;只有25℃-40％WHC處理起到了固定碳的作用。CO2的釋放速率與DOC呈正比，但在不同處理中的比例不同。添加糞肥處理的氮

6、量(NO3-，NH4+)顯著少于添加尿素處理，盡量?jī)烧叩砑恿恳恢隆?5℃-40％WHC處理對(duì)土壤pH改變量最小，可能是由于相對(duì)較低的水分含量導(dǎo)致的硝化作用減弱。
　　(3)研究玉米原料及其生物質(zhì)炭添加到土壤后導(dǎo)致的激發(fā)效應(yīng)變化以及微生物群落結(jié)構(gòu)上的變化。采用同位素技術(shù)在180天培養(yǎng)周期內(nèi)觀測(cè)CO2變化，通過(guò)第二代測(cè)序方法鑒定其微生物學(xué)響應(yīng)。玉米原料的添加導(dǎo)致土壤產(chǎn)生1999mg C kg-1(+253.7％)正激發(fā)，同時(shí)生物質(zhì)炭

7、添加導(dǎo)致土壤碳礦化速率減緩，產(chǎn)生-872.1 mg Ckg-1(-254.3％)負(fù)激發(fā)。土壤碳礦化與植物物料礦化之間具有相關(guān)性，且大部分激發(fā)產(chǎn)生于前15天，證實(shí)發(fā)生了共代謝效應(yīng)。產(chǎn)生不同的激發(fā)效應(yīng)主要?dú)w因于添加原料與生物質(zhì)炭之間性質(zhì)的差異，尤其溶解性有機(jī)碳方面。分解過(guò)程中主導(dǎo)性的微生物包括Acidobacteria,Actinobacteria, Gemmatimonadetes，Chloroflexi，F(xiàn)irmicute,Planct

8、omycetes,Proteobacteria,Verrucomicrobia,Ascomycota,Basidiomycota,Blastocladiomycota,Chytridiomycota,Zygomycota, Euryarchaeota及 Thaumarchaeota。聚類分析顯示生物質(zhì)炭和原料引起了不同的系統(tǒng)分組。細(xì)菌Acidobacteria,Firmicute,Gemmatimonadetes,Planctomyce

9、tes，真菌Ascomycota,古菌Euryarchaeota與土壤激發(fā)碳有強(qiáng)相關(guān)性(R2=-0.98，-0.99，0.84，0.81，0.91和0.91)。玉米物料中的易分解有機(jī)碳改變微生物群落組成上的響應(yīng)，引起不同的土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)，證實(shí)了微生物驅(qū)動(dòng)土壤激發(fā)效應(yīng)的重要功能作用。
　　(4)玉米秸稈原料或其生物質(zhì)炭與根分泌物（多次或單次）添加到土壤后構(gòu)成植物物料-土壤-根分泌物三種C源的體系，借助步進(jìn)迭代的方法計(jì)算對(duì)土壤有機(jī)

10、碳各種形態(tài)變化的影響，多次添加引起的豐度值變化有跳躍而單次添加的較為和緩，并且添加玉米原料的兩個(gè)處理CO2豐度值隨著培養(yǎng)的進(jìn)行有富集趨勢(shì)。第80 d與第40 d相比，物料來(lái)源的生物量C下降到0.34與3.62 mg C kg-1的水平，其中玉米原料帶來(lái)的下降幅度大于生物質(zhì)炭。激發(fā)效應(yīng)的交互作用大多表現(xiàn)為負(fù)向，尤其發(fā)生在多次添加條件下的每次輸入時(shí)，表明二者相互作用限制來(lái)自土壤的CO2釋放。添加玉米原料與生物質(zhì)炭之間有明顯差異的交互作用，這