羅天相 ,胡 鋒,李輝信
(1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,宜春 336000;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,南京 210095)
氧化亞氮(N2O)是一種重要的大氣微量氣體,是致臭氧層破壞和溫室效應(yīng)的主要因素。全球N2O排放量60%以上來(lái)源于土壤的生物活動(dòng),其中農(nóng)田土壤約占土壤排放源的40%,達(dá)4.2 Tg N-N2O/a[1]。N2O主要由微生物活動(dòng)引起的土壤硝化和反硝化過(guò)程產(chǎn)生,這些過(guò)程受到不同的土壤理化因素的調(diào)節(jié),比如土壤水分和通氣狀況,土壤類(lèi)型和土壤pH的影響。蚯蚓是土壤生物的重要組成部分,與土壤理化性狀的改變有密切的關(guān)系。蚯蚓活動(dòng)能混合土壤,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤透氣、排水和深層持水能力,間接影響土壤硝化和反硝化過(guò)程,可能成為陸地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的生物源之一[2-3]。近年來(lái)在微系統(tǒng)[4]和不同土壤類(lèi)型上的中觀試驗(yàn)[5-12]也證實(shí)了蚯蚓活動(dòng)與土壤N2O排放有密切關(guān)系。
由于試驗(yàn)土壤類(lèi)型和蚯蚓生態(tài)型的差異,有關(guān)蚯蚓對(duì)土壤N2O排放影響的研究結(jié)果還不盡一致。蚯蚓對(duì)土壤N2O排放的影響與施加的外源作物秸稈及取食對(duì)策均有關(guān)聯(lián)[5]。蚯蚓能促使植物殘?bào)w進(jìn)入土壤,并將植物殘?bào)w中的N轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)形式,從而易于被植物和土壤微生物吸收利用,在秸稈還田時(shí)輔以蚯蚓處理,有助于植物殘?bào)w向土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化[13]。當(dāng)秸稈混施入土壤時(shí),接種深層種(anecic)蚯蚓Apporectodea longa能促進(jìn)土壤N2O 排放[10];秸稈表施時(shí),表層種(epigeic)蚯蚓 Lumbricus rubellus[5-6]和深層種蚯蚓 A.longa[6]將導(dǎo)致土壤N2O排放量的增加。壤土中,內(nèi)層種(endogeic)蚯蚓A.caliginosa僅在秸稈混施入土壤或與表層種蚯蚓L.rubellus一同存在時(shí)才會(huì)對(duì)土壤N2O排放具有促進(jìn)作用[5],當(dāng)A.caliginosa接種在沙質(zhì)土壤中,即使和L.rubellus一同存在,該種蚯蚓也沒(méi)有如壤土中一樣增加N2O的排放,甚至表現(xiàn)出抑制作用[8],這反映出蚯蚓生態(tài)型不同的取食策略。接種不同生態(tài)型蚯蚓時(shí),甚至混施作物秸稈的不同深度也會(huì)影響到土壤N2O 的排放[14]。
此外,在探討蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤溫室氣體N2O排放影響研究上,由于蚯蚓在森林和草地中具有較高的種群密度,過(guò)去的結(jié)論多來(lái)自于這2個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[6-12],對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)關(guān)注不多。但蚯蚓是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,麥田中蚯蚓種群全年平均密度可高達(dá)83.83條/m2[15],明確農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中蚯蚓對(duì)N2O排放的影響,對(duì)于了解蚯蚓的生態(tài)功能,揭示蚯蚓活動(dòng)對(duì)土壤溫室氣體代謝的影響,促進(jìn)農(nóng)田管理減排具有重要的意義。為此,在接種蚯蚓長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)農(nóng)田冬小麥栽種試驗(yàn),對(duì)施用秸稈(表施和混施)及接種蚯蚓后土壤N2O排放通量的變化進(jìn)行初步研究,并從土壤特性和排放量上對(duì)蚯蚓的作用進(jìn)行評(píng)估,為正確評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤動(dòng)物的生態(tài)功能提供依據(jù)。
盆栽試驗(yàn)于2007年11月—2008年5月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)常年定位網(wǎng)室內(nèi)實(shí)施。供試土壤為江蘇省如皋縣搬經(jīng)鎮(zhèn)的高沙土。網(wǎng)室內(nèi)用混凝土砌成2.8m×1m×0.6m的池子,填入深50cm的供試土壤。
盆缽用紫砂泥燒制而成,缽高和內(nèi)圓直徑均為20cm左右,盆缽上口有1.5cm深的凹型槽用以在采樣時(shí)注水與采樣箱密封,盆缽底部有直徑為2cm的小孔多個(gè)以滲漏降水。每盆裝供試土壤4kg左右,各供試土壤設(shè)置3個(gè)重復(fù)。為使盆缽?fù)寥赖臏囟扰c大田土壤溫度一致并減少盆缽間的溫度差異,盆缽的4/5高度埋入土壤。
冬小麥品種為揚(yáng)麥158,小麥播種期為11月15日,11月18日移栽入盆缽內(nèi),每盆移栽4株,2008年5月10日收獲。
土壤有機(jī)C含量為5.86g/kg,總N含量為0.70g/kg,總P含量為0.66g/kg,速效P含量為0.66mg/kg,速效K含量為47.1mg/kg,pH為 8.25。
氮、磷和鉀肥用量分別為225kg/hm2(以純N計(jì))、120kg/hm2(以P2O5計(jì))和120kg/hm2(以K2O計(jì)),肥料品種為尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀。其中氮肥的60%作為基肥,分蘗肥和穗肥各占20%,磷、鉀肥全作基肥。有機(jī)物料采用玉米秸稈,其基本性狀為14.63g N/kg,464.33g C/kg,2.85g P/kg,玉米秸稈C/N為31.74,用量為每盆缽施用23.5g,折合約7500kg/hm2。玉米秸稈(粉碎至2cm左右)與基肥一起施入,混施時(shí)與0—20cm土壤均勻混和,這種秸稈施用方式與自然還田的實(shí)際情況接近;表施時(shí)則均勻覆蓋于盆缽內(nèi)土層表面。
試驗(yàn)所用蚯蚓為威廉腔環(huán)蚓(Metaphire guillelmi),分類(lèi)上屬于anecic,介于epigeics和endogeics之間,由于盆缽表面積小,蚯蚓活動(dòng)范圍受到一定的拘束;試驗(yàn)土壤采集地的蚯蚓自然密度約為60—80g/m2,故折合到每盆缽約2.5g蚯蚓生物量,即2條成年蚯蚓被接種入盆缽。作物移栽入盆缽后立即進(jìn)行接種,接種之后澆適量水,以便蚯蚓盡快適應(yīng)環(huán)境。
本實(shí)驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理,各處理3次重復(fù):(1)對(duì)照,即不施用玉米秸稈,不接種蚯蚓(CK);(2)秸稈混施,不接種蚯蚓(I);(3)秸稈表施,不接種蚯蚓(M);(4)秸稈混施,接種蚯蚓(IE);(5)秸稈表施,接種蚯蚓(ME)。
試驗(yàn)的開(kāi)始和結(jié)束期進(jìn)行土壤理化性狀測(cè)試,采集各處理土壤表層(0—20cm)樣品。用K2Cr2O7氧化法測(cè)定土壤有機(jī)碳(SOC);用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮(TN)。NH+4-N用靛粉藍(lán)比色法;NO-N用鍍 Cu-Cd還原法。
本試驗(yàn)氣體樣品采集采用靜態(tài)箱-氣相色譜法。采樣箱為圓筒型,用PVC材料制成,高1m,箱體直徑與盆缽凹型槽直徑一致。采樣箱外側(cè)先包有一層約5cm厚的海綿,然后覆蓋一層鋁箔以減少采樣期間由于太陽(yáng)輻射引起的箱內(nèi)溫度變化。氣體樣品用帶有開(kāi)關(guān)的針筒采集,生長(zhǎng)季節(jié)前中期每周1次,3月中旬后每?jī)芍?次。根據(jù)試驗(yàn)要求,采用2—3箱體平行采樣,采樣時(shí)間分別為關(guān)箱后的0、5、10、15、20min,每次抽樣60 mL。氣體樣品于采樣當(dāng)天用改裝的Agilent 4890D氣相色譜儀分析N2O的排放通量。由于樣品采集時(shí)采樣箱中包含正常生長(zhǎng)的作物,因此該研究的溫室氣體排放通量代表該生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放。
N2O排放通量結(jié)果用每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,排放量以生長(zhǎng)季排放通量乘以生長(zhǎng)季的時(shí)間。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用二因素(蚯蚓×秸稈施用方式)方差分析蚯蚓和秸稈的交互作用,用單因素方差分析不同處理間差異,差異顯著性用Duncan檢驗(yàn),所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件。
經(jīng)過(guò)冬小麥栽培,在收獲期后不同處理土壤中有機(jī)碳和全氮含量變化明顯(表1)。與對(duì)照相比,加施秸稈處理(M、ME、I、IE)土壤有機(jī)碳和全氮含量均顯著增加(P<0.05)?;焓┒捊仗幚?I和IE)有機(jī)碳和全氮含量顯著高于表施秸稈處理(M和ME)。接種蚯蚓未對(duì)有機(jī)碳(SOC)與全氮產(chǎn)生顯著影響,表明蚯蚓對(duì)有機(jī)物料的取食不會(huì)降低土壤有機(jī)碳和全氮含量。所有處理土壤碳氮比均為10左右,各處理間差異不顯著。這表明在秸稈常規(guī)施用量條件下接種蚯蚓并未引起土壤碳、氮總量的減少,土壤碳、氮基本維持平衡。加施秸稈使土壤有機(jī)碳的含量顯著提高,這個(gè)現(xiàn)象與其它研究結(jié)果是一致的。與表施秸稈相比,混施秸稈更有利于土壤有機(jī)碳提高[16]。
表1 不同處理土壤有機(jī)碳、全氮和礦質(zhì)氮變化Table 1 Changes of soil organic carbon,total nitrogen and mineral nitrogen content under different treatments
蚯蚓和秸稈施用對(duì)N2O排放的影響如圖1所示:在小麥生長(zhǎng)季整體排放趨勢(shì)呈現(xiàn)兩頭高,中間低的走勢(shì)。其排放峰主要出現(xiàn)在小麥生長(zhǎng)的苗期和生長(zhǎng)的末期。在小麥生長(zhǎng)前期,各處理間N2O排放較高的原因可能是基肥用量較大,提供了充足的N源,而且此時(shí)溫濕度仍較適宜土壤N2O的生成與排放;中期由于氣溫偏低,蚯蚓進(jìn)入休眠停育階段,而冬春季降雨又較多,由于農(nóng)田土壤N2O排放較強(qiáng)烈地受土壤濕度制約,土壤濕度過(guò)大,不利于N2O的生成與排放[17];后期隨著溫度的升高,濕度條件適宜,蚯蚓開(kāi)始取食、活動(dòng),小麥生長(zhǎng)發(fā)育加速,有助于提高N2O的生成和排放通量。
相比對(duì)照CK處理,施加秸稈和接種蚯蚓均能顯著提高N2O排放量(表2)。在秸稈表施的情況下,接種蚯蚓ME處理N2O的排放量最大,全生育期達(dá)14.26 kg/hm2,顯著高于未接種蚯蚓M處理(P<0.05),且這種N2O排放的差異性無(wú)論在栽培前期還是后期均很顯著。在混施秸稈的情況下,接種蚯蚓IE處理在栽培前期較未接種蚯蚓的I處理差異仍顯著,但在后期兩處理間排放量無(wú)明顯差異。整個(gè)麥季對(duì)照CK處理N2O的排放量最低,為11.42 kg/hm2。
表2 不同處理N2O排放量(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 2 Amounts(mean±SD)of N2O emission
蚯蚓對(duì)N2O排放的影響比較顯著,雖仍沒(méi)有達(dá)成一致的看法,但普遍認(rèn)為蚯蚓促進(jìn)了土壤N2O的排放。本研究中施加秸稈后,接種蚯蚓能顯著提高土壤N2O排放的通量。農(nóng)田中作物秸稈(混施或表施)是土壤中產(chǎn)生N2O的主要微生物過(guò)程——硝化和反硝化作用的重要C和N源。與無(wú)作物秸稈還田相比,在土壤N源充裕條件下作物秸稈施用往往導(dǎo)致較高的反硝化作用和N2O排放。
圖1 麥季N2O排放通量的變化Fig.1 Variations of N2O flux in wheat season
在評(píng)估蚯蚓對(duì)植物殘?bào)w分解和溫室氣體排放影響的研究中,有些研究是將植物殘?bào)w表施在土壤上[18-19],但秸稈混施于土壤則是更為常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)措施。本試驗(yàn)中,在秸稈表施的情況下,接種蚯蚓后N2O的排放顯著增加(P<0.05);而當(dāng)秸稈混施時(shí),蚯蚓的相對(duì)作用將減小。通過(guò)取食并分解有機(jī)殘?bào)w,蚯蚓使秸稈中的N素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在耕作層中更均勻的分布和均衡利用。這種混施秸稈的耕耘活動(dòng)代替了蚯蚓的部分生態(tài)功能。所以當(dāng)秸稈混施時(shí),蚯蚓盡管在前期對(duì)N2O的排放產(chǎn)生一定的影響,但在后期,蚯蚓的存在與否并沒(méi)有顯著差異,這點(diǎn)與Rizhiya等觀測(cè)結(jié)果類(lèi)似[6]。
目前,解釋蚯蚓在土壤中的生態(tài)功能機(jī)理有2種推論[20],即養(yǎng)分富集過(guò)程(NEP)和腸道關(guān)聯(lián)過(guò)程(GAP)。NEP意味著蚯蚓通過(guò)混合并取食所添加的秸稈,導(dǎo)致土壤和蚓糞的養(yǎng)分富集,該過(guò)程將蚯蚓的作用主要?dú)w因于蚯蚓在土壤中的遷移和取食作用,而不過(guò)多涉及其生理代謝過(guò)程。GAP則主要是包括與蚯蚓腸道相關(guān)聯(lián)的一系列生化反應(yīng)過(guò)程,以及腸道分泌物和排泄分泌物中微生物和酶數(shù)量和活性的改變等。微系統(tǒng)試驗(yàn)中,GAP一般能很好的解釋蚯蚓對(duì)于N2O排放的促進(jìn)作用[21]。但本試驗(yàn)中,在秸稈不同施用方式下(混施和表施)接種蚯蚓對(duì)農(nóng)田N2O排放的影響是有差異的,在田間的中觀尺度下,NEP的推論能更好的解釋這種現(xiàn)象:因?yàn)轵球镜幕顒?dòng),在表施秸稈的情況下,通過(guò)取食活動(dòng)將秸稈混入土壤,使秸稈的分解由原來(lái)的好氧和低硝化作用的環(huán)境轉(zhuǎn)移到一個(gè)硝化作用顯著加強(qiáng)的環(huán)境(NEP),從而促進(jìn)N的分解和N2O的排放;而在混施秸稈的情況下,蚯蚓的作用更多體現(xiàn)在腸道關(guān)聯(lián)過(guò)程(GAP)上時(shí),接種蚯蚓未能始終表現(xiàn)出對(duì)N2O排放的促進(jìn)作用。當(dāng)然,蚯蚓在土壤中的生態(tài)作用同時(shí)包含了NEP和GAP兩個(gè)過(guò)程,在中觀試驗(yàn)的尺度下接種蚯蚓后土壤所表現(xiàn)出的生態(tài)效應(yīng),但仍需大田試驗(yàn)以進(jìn)一步觀測(cè)。
蚯蚓等土壤動(dòng)物通過(guò)掘穴、取食和排泄等活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的理化和生物特性產(chǎn)生影響,這些因素又直接或間接的影響著土壤的硝化與反硝化作用[22-23]。NH-N和NO-N分別是硝化和反硝化反應(yīng)的底物,N2O的產(chǎn)生受這些底物濃度的制約。在本次試驗(yàn)中,重點(diǎn)觀察了土壤礦質(zhì)氮(包括NO-N和NH-N)含量的變化與N2O排放的關(guān)系。在盆栽試驗(yàn)中,NO-N含量均顯著高于NH-N,土壤中NO-N濃度沒(méi)有成為N轉(zhuǎn)化的限制性因子。接種蚯蚓處理的NO-N含量顯著提高,混施秸稈時(shí),接種蚯蚓NO-N含量最高,但在表施秸稈時(shí),接種蚯蚓使NO-N有更大的增幅(20.1%)。蚯蚓對(duì)氮礦化的影響,可能與蚯蚓直接排泄富含有效氮的物質(zhì)及自體代謝分泌有關(guān),也可能是蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)了土壤微生物活性的提高及其向營(yíng)養(yǎng)源富集場(chǎng)所的擴(kuò)散,從而加快了微生物對(duì)氮的周轉(zhuǎn)和釋放[24]。不同處理土壤礦質(zhì)氮的分異主要取決于NO-N含量的變化。由于土壤中的NO-N不但促進(jìn)反硝化速率,而且抑制或延遲N2O還原為N2[6],所以蚯蚓可通過(guò)影響土壤NO-N含量間接促進(jìn)土壤N2O的排放。通過(guò)相關(guān)性分析也發(fā)現(xiàn),本試驗(yàn)中的土壤NO-N含量與N2O排放量顯著正相關(guān)(見(jiàn)表3)。
表3 N2O排放量與土壤理化性狀的相關(guān)分析表Table 3 The correlation analysis of N2O emission and soil physical and chemical properties
在Malhi的研究中[25],通過(guò)8a的田間試驗(yàn),他們同樣發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下,耕作、施加作物秸稈和N肥的輸入并沒(méi)有對(duì)作物土壤中的NH-N產(chǎn)生顯著影響。但在施加秸稈的處理中,NO-N濃度在0—15 cm的土壤層中顯著高于對(duì)照處理。施加秸稈導(dǎo)致NO-N淋失加劇和N-N2O排放量的增加,尤其是在秸稈過(guò)量的情況下。當(dāng)深層種和內(nèi)層種蚯蚓多時(shí),會(huì)導(dǎo)致土壤濾出液中的NH-N濃度升高,而表層種蚯蚓則導(dǎo)致NO-N的濃度升高[26]??紤]到土壤礦質(zhì)氮含量與N2O排放的關(guān)系,不同生態(tài)型蚯蚓在土壤微量氣體代謝中的作用也會(huì)出現(xiàn)差異。
在本試驗(yàn)場(chǎng)所早期進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)表明,秸稈兩種施用方式下,蚯蚓于分蘗期顯著降低了礦質(zhì)氮的含量(分別為24%和32%),且在秸稈表施處理中降低程度更高。在土壤中植物殘?bào)w含量較高時(shí),微生物加速繁殖,生物的固定作用加強(qiáng),蚯蚓使土壤可溶性有機(jī)氮的含量提高,導(dǎo)致了N向下運(yùn)移和流失[27]。在這個(gè)過(guò)程中,流失的N可能經(jīng)由硝化和反硝化過(guò)程,部分轉(zhuǎn)化為N-N2O,以氣態(tài)的形式逸失。
接種蚯蚓和秸稈施用對(duì)土壤N2O排放有顯著影響,不同的研究,由于所采用的有機(jī)肥料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法的不同,會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果的差異。總體來(lái)說(shuō),施加秸稈后,蚯蚓的存在能夠顯著提高土壤中N2O的排放量,蚯蚓的這種作用當(dāng)秸稈表施時(shí)更明顯,而當(dāng)秸稈混施進(jìn)土壤后,盡管接種蚯蚓后將產(chǎn)生較高的排放量,但蚯蚓的相對(duì)作用將減小。養(yǎng)分富集過(guò)程(NEP)較腸道關(guān)聯(lián)過(guò)程(GAP)更好的解釋了接種蚯蚓后田間土壤所表現(xiàn)出的生態(tài)效應(yīng)。農(nóng)田秸稈施用引起的N2O排放量的差異,應(yīng)該受外源C、N供應(yīng)水平、土壤供N水平、微生物對(duì)有機(jī)碳的分解及對(duì)N的爭(zhēng)奪利用等多因素制約。因此,有關(guān)秸稈殘?bào)w施用后接種蚯蚓對(duì)土壤N2O排放影響的機(jī)理尚需進(jìn)一步深入研究,碳氮同位素分析,分子生物學(xué)技術(shù)和圖像分析技術(shù)等的應(yīng)用將有助于蚯蚓生態(tài)功能的研究[28],增加對(duì)蚯蚓生態(tài)型與土壤微生物群落之間的關(guān)系的了解。
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