吳家梅,霍蓮杰,紀雄輝,謝運河,田發(fā)祥,彭 華,朱 堅,官 迪

1 湖南省土壤肥料研究所, 農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 長沙 410125 2 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心, 長沙 410125 3 河南省新悅環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展有限公司, 洛陽 471000

不同施肥處理對土壤活性有機碳和甲烷排放的影響

吳家梅1,2,*,霍蓮杰3,紀雄輝1,2,謝運河1,田發(fā)祥1,彭 華1,朱 堅1,官 迪1

1 湖南省土壤肥料研究所, 農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 長沙 410125 2 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心, 長沙 410125 3 河南省新悅環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展有限公司, 洛陽 471000

通過采集田間試驗區(qū)連續(xù)3a施入有機肥的稻田耕層土壤,分析土壤中微生物量碳(MBC)、水溶性有機碳(DOC)、易氧化有機碳(ROC)和可礦化有機碳(readily mineralizable carbon, RMC)等活性有機碳的含量,稻田甲烷(CH4)的排放通量,探討施用有機肥的土壤活性有機碳變化及與CH4排放的關(guān)系。研究結(jié)果顯示：(1)施有機肥對土壤中的活性有機碳均有一定的促進作用。3a不同施肥處理土壤中DOC、ROC、MBC和RMC的平均含量分別為383.6、2501.2、640.4 mg/kg和291.7 mg/kg。3a施豬糞(豬糞+化肥,PM)、雞糞(雞糞+化肥,CM)和稻草(稻草+化肥,RS)的DOC的含量分別比化肥(CF)處理增加5.6%、6.7%和19.3%,ROC的含量分別比CF增加6.6%、8.4%和9.8%；MBC含量分別比CF增加5.1%、14.8%和21.5%,RMC增加6.8%、22.0%和33.9%。不同施肥處理的稻田土壤活性有機碳為分蘗期高于成熟期。(2)施肥處理顯著增加稻田CH4排放,CH4分蘗期的排放通量是成熟期的143倍,3a PM、CM和RS處理的CH4排放分別比CF處理增加37.0%(P<0.05)、92.7%(P<0.05)和99.4%(P<0.05)。(3)不同施肥處理的DOC、ROC、MBC和RMC含量與CH4排放通量均存在顯著正相關(guān)關(guān)系,ROC與CH4排放的相關(guān)系數(shù)最高,為0.754(P<0.01),且4種有機碳間關(guān)系密切。稻田分蘗期土壤中的活性有機碳與稻田CH4排放呈顯著正相關(guān)關(guān)系。(4)綜合分析,在4種有機碳中,土壤中ROC和MBC的含量直接影響CH4排放。

土壤活性有機碳; 水溶性有機碳; 微生物量碳; 易氧化有機碳; 可礦化有機碳; 甲烷排放

土壤活性有機碳指在一定的時空條件下,受植物、微生物影響強烈、具有一定溶解性、在土壤中移動比較快、不穩(wěn)定、易氧化、分解、易礦化,其形態(tài),空間位置對植物、微生物來說活性比較高的那一部分土壤碳素[1],雖然占總有機碳的比例很小,但在碳循環(huán)中起著極為重要的作用[2],對區(qū)域微環(huán)境的變化相應(yīng)更為敏感的碳組分[3],已經(jīng)成為土壤、環(huán)境、生態(tài)等學(xué)科領(lǐng)域研究的焦點之一。活性有機碳組分較多,有學(xué)者認為土壤中的微生物量碳(MBC),水溶性有機碳(DOC)、易氧化有機碳(ROC)和可礦化有機碳(RMC)是土壤活性有機碳的主要表征指標[1, 4],可以敏感地反映土壤碳的變化,改善土壤質(zhì)量以及維護土壤碳庫平衡等方面具有重要意義[5- 6]。

土壤中MBC、DOC、ROC和RMC在施肥、耕作方式、土壤利用方式等對碳庫的影響研究較多,但在稻田生態(tài)系統(tǒng)中,土壤活性有機碳動態(tài)變化及與土壤碳作為基質(zhì)的CH4排放關(guān)系研究較少,稻田CH4排放研究是當(dāng)今的熱點問題。Bridgham和Richardson[7]等認為有機質(zhì)中活性有機碳的多少決定了土壤產(chǎn)CH4潛能的強弱和CH4產(chǎn)量的高低。作為土壤中周轉(zhuǎn)較快的活性有機碳,哪種組成對土壤碳分解產(chǎn)生的CH4排放影響最大尚不清楚。本研究采用不同有機肥施入稻田的小區(qū)試驗,研究土壤活性有機碳在稻田CH4排放高峰和低谷的動態(tài)變化,以揭示土壤活性有機碳的含量及與稻田CH4排放的關(guān)系,為稻田土壤活性有機碳的進一步研究和科學(xué)預(yù)測土壤活性有機碳對CH4排放變化的響應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于湖南省長沙縣干杉鄉(xiāng)大屋組的水稻田(28°08′18″N,113°12′0″E),海拔42 m,年平均溫度為17.1℃,年降水量1500 mm,≥10℃年積溫5300—6500℃,為南方典型的水稻生產(chǎn)區(qū)。土壤類型為第四紀紅壤發(fā)育的紅黃泥水稻土,化學(xué)性狀：土壤pH 6.0、有機質(zhì)33.3 g/kg、全氮2.04 g/kg、全磷0.85 g/kg、全鉀9.2 g/kg、堿解氮212 mg/kg、有效磷11.1 mg/kg、速效鉀97 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在2010—2012年開展,設(shè)置5個處理,分別為：不施肥、化肥、化肥+豬糞(豬糞,PM)、化肥+雞糞(雞糞,CM)和化肥+稻草(稻草,RS)。每個處理3個重復(fù),采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理的施肥量見表1。前季作物為水稻,插秧前期田間保持淹水狀態(tài)。氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀,有機肥為風(fēng)干樣品。稻草為一季稻收獲的稻草平均產(chǎn)量7500 kg/hm2全部還田,再根據(jù)稻草的含碳量計算出施入稻田的總碳量,為保持稻田施入的總碳量相同,豬糞和雞糞也相應(yīng)的計算出施肥的總量,從而計算出施入稻田的有機肥的氮、磷和鉀的含量,有機肥中氮素和鉀素不夠用尿素和氯化鉀補充,由于雞糞的有機碳含量比稻草低,其含磷和鉀比稻草高,豬糞的總磷高,致使施入雞糞處理的磷鉀肥和豬糞處理的磷肥超過化肥處理相應(yīng)的施用量。

稻草剪成約20 cm小段,踩入田間,其他肥料撒入田間,與土壤混勻。水分管理和病蟲草害防治與當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)相一致。水稻品種為準兩優(yōu)608。

表1 不同處理的施肥量

NF：無肥 no fertilizer；CF：化肥 chemical fertilizer； PM：豬糞 pig manure + chemical fertilizer；CM：雞糞 chicken manure+ chemical fertilizer；RS：稻草 rice straw+ chemical fertilizer

1.3 采樣與分析

水稻分蘗期、成熟期取土壤和氣體樣品測定。氣體樣品的采集和測定方法見吳家梅的文獻[8]。每個小區(qū)取5個土樣混合,清除土樣中的植物根系、凋落物和砂礫等,風(fēng)干過0.25mm土壤篩,用于測定DOC、MBC、ROC和RMC含量。DOC采用水土比5∶1,蒸餾水浸提、震蕩,離心過0.45μm濾膜,上TOC儀測定[9],MBC采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法,濾液在TOC儀上測定[10]；ROC采用33mmol/L高錳酸鉀比色法測定[11],RMC的培養(yǎng)為稱12g風(fēng)干樣品,加入田間持水量的60%,按Yagi和Minami的方法培養(yǎng)和測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后,采用SPSS 17.0 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(ANOVA),LSD(P=0.05或0.01)比較不同處理土壤活性有機碳含量之間的差異。土壤活性有機碳各組分與CH4排放通量間的相關(guān)性分析采用Pearson檢驗法。土壤活性有機碳組分與CH4排放通量采用多元線逐步回歸法進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理土壤DOC的含量變化

圖1 不同處理土壤DOC含量變化 Fig.1 Variations of soil DOC content under different fertilization treatments NF：無肥 no fertilizer；CF：化肥 chemical fertilizer； PM：豬糞 pig manure + chemical fertilizer；CM：雞糞 chicken manure+ chemical fertilizer；RS：稻草 rice straw+ chemical fertilizer

3a連續(xù)不同施肥處理稻田土壤DOC含量為261.3—587.3 mg/kg(圖1),平均值為383.6 mg/kg。同一水稻生長季節(jié),相同處理的DOC含量均為分蘗期高于成熟期(除2011年RS處理外)。不同年份間,施有機肥處理第1年和第2年分蘗期和成熟期的變化不大,施肥第3年后,分蘗期和成熟期相同處理的DOC含量明顯高于前兩年的含量,不同處理分蘗期3a DOC的平均含量分別為400.2 mg/kg,比成熟期高8.7%。

施肥后稻田土壤的DOC含量增加,而有機肥處理含量又高于化肥處理。不同處理分蘗期和成熟期 DOC含量均為RS>CM>PM>CF>NF,3a PM、CM和RS處理分蘗期的DOC含量分別比CF處理增加4.7%、5.6%和18.4%；3a PM、CM和RS處理成熟期的DOC含量分別比CF處理增加6.4%、7.8%和20.2%,不同施肥處理的PM、CM和RS的平均含量分別比CF增加5.6%、6.7%和19.3%。施肥第1年和第2年不同處理不同生育期的DOC含量無顯著性差異,第3年RS處理的水稻分蘗期的DOC含量分別比CF、PM和CM高6.2%(P<0.05)、10.7%(P<0.05)和39.7%(P<0.05)。

2.2 不同施肥處理土壤ROC的含量變化

不同施肥處理稻田土壤ROC的含量2193.0—2816.3 mg/kg(圖2),其平均含量為2501.2 mg/kg。同一水稻季節(jié),相同處理分蘗期ROC含量高于成熟期, 3a不同處理分蘗期ROC的平均含量為2507.9、2622.0 mg/kg和2973.8 mg/kg,分別比同季成熟期高92%、11.4%和20.2%。分蘗期和成熟期的ROC含量均隨著施肥年份的增加而增加,施肥第3年ROC的含量均高于前兩年。

同一季節(jié),不同處理的ROC平均含量均為RS>CM>PM>CF>NF。水稻分蘗期:施肥第1年不同處理的ROC含量無明顯影響,施肥第2年,RS處理比CF處理增加11.4%(P<0.05),施肥第3年,RS、CM和PM處理的ROC含量比CF處理增加19.1%(P<0.05),13.8(P<0.05)和15.7%(P<0.05),有機肥間無顯著性差異。3a PM、CM和RS的施肥處理分蘗期ROC的平均含量分別比CF處理增加7.3%、9.5%和10.3%。水稻成熟期：施有機肥第1年,不同處理間無顯著性差異,施肥第2年,RS處理的ROC含量明顯高于NF處理,施肥第3年,RS、CM和PM處理的ROC含量分別比CF處理增加5.2%(P<0.05),6.7(P<0.05)和9.6%(P<0.05),3a成熟期PM、CM和RS處理的ROC平均含量分別比CF增加5.9%、7.3%和9.4%。水稻不同生長時期的PM、CM和RS分別比CF增加6.6%、8.4%和9.8%。

2.3 不同施肥處理土壤MBC的含量變化

3a連續(xù)不同施肥處理稻田土壤MBC的含量為392.0—926.6 mg/kg(圖3)。同一水稻季節(jié),生育期和成熟期的 MBC含量分別為614.9 mg/kg和519.1 mg/kg。MBC含量隨施肥年份的增加而增加,3a不同處理分蘗期MBC平均含量為569.9、691.0 mg/kg和 831.8 mg/kg,2012年分蘗期土壤MBC含量比分別比2011年和2012年同一時期高121.1 mg/kg 和269.1 mg/kg。施肥處理的成熟期的含量比分蘗期少5.3%—28.6%。

同一季節(jié),不同處理的MBC平均含量均為RS>CM>PM>CF>NF。3a不同施肥處理,分蘗期的PM、CM和RS處理的MBC含量分別比CF處理高1.8%、11.4和19.3%。施肥第1年,分蘗期不同處理間無顯著性差異,施肥第2年,RS、CM和PM處理分蘗期的MBC含量比CF處理增加2.9%(P<0.05),19.7(P<0.05)和28.5%(P<0.05),施肥3a的RS和CM處理分蘗期的MBC含量比CF處理增加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處理的MBC含量顯著高于NF處理,其他均無顯著性差異。不同水稻生育時期PM、CM和RS處理的MBC平均含量分別比CF增加5.1%,14.8%和21.5%。

圖2 不同處理土壤ROC含量變化 Fig.2 Variations of soil ROC content under different fertilization treatments

圖3 不同處理土壤MBC含量變化 Fig.3 Variations of soil MBC content under different fertilization treatments

2.4 不同施肥處理土壤RMC的含量變化

圖4 不同處理土壤RMC含量變化 Fig.4 Variations of soil RMC content under different fertilization treatments

3a不同處理水稻分蘗期的土壤RMC平均含量為291.7 mg/kg(圖4),3a分蘗期比成熟期的RMC含量高30.9%。

施肥第1年和第2年不同處理水稻分蘗期RMC含量差別不大,但施入有機肥處理略高于無肥處理,施肥第3a RMC含量差別逐漸變大,尤其是RS處理,比PM和CF分別增加50.0%(P<0.05)和71.0%(P<0.05)。施肥第1年和第2年的成熟期不同處理的RMC含量間無顯著性差異,施肥3a后,成熟期RS、CM和PM處理分別比CF處理增加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處理的RMC最低(除2011年成熟期外),分別比同一水稻季節(jié)CF、PM、CM和RS處理的RMC減少87.7—417.3 mg/kg。3a不同水稻時期RMC平均含量分別比CF增加7.4%、20.7%和34.1%。

2.5CH4排放通量

CH4排放通量可見(表2),水稻分蘗期稻田CH4排放通量15.4—59.6 mg m-2h-1,成熟期排放通量為0.1—0.7 mg m-2h-1,3a稻田CH4平均排放通量分別是成熟期的45、89和295倍。水稻分蘗期,隨著施肥年份的增加,排放通量增加,成熟期不同處理的CH4排放通量低,且隨年季變化不大,不同處理間無顯著性差異。不同年份、不同時期CH4排放通量均為RS>CM>PM>CF和NF。

表2 不同施肥處理的排放通量/(mg m-2 h-1)

平均值±標準差,表中同一列數(shù)據(jù)不同字母表示達到了5%的顯著水平

施入有機肥處理第1年和第2年分蘗期的CH4排放通量高于NF和CF處理,NF、CF、CM和PM處理間無明顯差異,RS處理明顯高于其他處理,施肥第3年有機肥處理明顯高于CF和NF處理,RS處理最高,其次為CM處理,明顯高于PM處理,RS、CM和PM處理分別比NF處理增加50.0%(P<0.05)、110.9%(P<0.05)和 118.3%(P<0.05),比CF處理增加37.0%(P<0.05)、92.7%(P<0.05)和99.4%(P<0.05)。

2.5土壤活性有機碳含量間的關(guān)系及與稻田CH4排放的關(guān)系

稻田土壤不同組分活性有機碳分別與稻田CH4進行相關(guān)性分析,不同組分的土壤活性有機碳與CH4排放均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表3),以ROC與CH4排放通量的相關(guān)系數(shù)最大,說明此類有機碳與CH4排放的關(guān)系最密切。不同的活性有機碳間也存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,可見稻田土壤中不同組分的活性有機碳間的關(guān)系密切。4種活性有機碳采用多元逐步回歸法與稻田CH4進行分析,結(jié)果表明,ROC和MBC與稻田CH4有一定關(guān)系,回歸方程y= -121.239 + 0.055x1(p<0.01)和y= -122.155 + 0.049x1+ 0.028x2(P<0.01)(y為CH4排放通量,x1為ROC,x2為MBC)?？梢姷咎锿寥乐械腞OC和MBC含量顯著影響稻田CH4排放。

表3 稻田土壤活性有機碳與CH4排放通量的相關(guān)性

**表示極顯著相關(guān)P<0.01

稻田土壤分蘗期和成熟期不同組分活性有機碳與CH4排放進行相關(guān)分析,分蘗期DOC、ROC、MBC和RMC含量與CH4排放存在呈極顯著正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為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機碳與CH4排放均無相關(guān)性,可見分蘗期的土壤活性有機碳與CH4排放密切相關(guān)。

3 討論

3.1 不同的活性有機碳組分

許多研究表明,無論是短期還是長期有機肥配施化肥,均有利于提高土壤DOC含量[2,13- 15]。本研究也表明3a施入豬糞、雞糞和稻草有機肥的DOC平均含量分別比NF增加5.7%、6.7%和19.3%。有機肥施入能增加土壤中的DOC含量,可能的原因是有機肥施入改善土壤速效養(yǎng)分狀況[16],提高土壤肥力,進而促進根系和地上部的生長,從而增加根系分泌物和有機殘體等作物的歸還量,有機肥的施用又增加了土壤有機碳庫,在微生物作用下分解釋放更多的水溶性有機碳[9, 17]。

土壤中ROC含量對土壤管理措施的改變反應(yīng)敏感[11, 14, 18]。本研究表明,無論是分蘗期和是成熟期的稻田土壤,施用有機肥處理的ROC含量均高于CF處理,也與前人的研究結(jié)果保持一致[14,19-20]?？赡艿脑蚴怯袡C肥或者有機物肥配施稻田,增加的外源有機碳投入,為微生物提高了充足的碳源,促進微生物的生長,提高其活性,降低了土壤中有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性[13,21],能明顯提高土壤ROC含量[14]。

稻田中施用有機肥能明顯提高土壤MBC含量,與Lagomarsino[22]、Wang[2]和Rehman[23]等的研究結(jié)果相同。有機肥施入稻田后,改善土壤物理結(jié)構(gòu)[24],提高土壤微生物學(xué)特性,影響土壤有機碳的生物降解過程[9, 25],而土壤MBC是土壤中所有活微生物體的總量,因此,有機肥的施入能提高土壤中MBC的含量。

施用有機肥處理提高土壤中RMC的含量[26-27]。本研究中,PM、CM和RS處理的土壤RMC分別比施入化肥處理提高7.4%、20.7%和34.1%?？赡艿脑蚴怯袡C肥的施入及根系和植物凋落物的增加,致使土壤中的有機物增加,土壤中的容易分解的有機碳的也相應(yīng)增加[26]。土壤中微生物也相應(yīng)增加,致使RMC含量增加。

水稻生長過程中,隨著生育期的推移,氣溫逐漸升高,微生物活性增強,水稻分蘗期的氣溫高于水稻成熟期,水稻分蘗期根系活力也高于成熟期,有機肥自身含有的有機碳被大量分解,根系活力增強,致使土壤中的活性有機碳組分為分蘗期高于成熟期。水稻施有機肥第1年和第2年,土壤中的活性有機碳變化差異不大,施肥第3年土壤中活性有機碳明顯高于前2a,可能的原因是,有機物在第1年分解迅速,第2年以后分解緩慢[28],施肥第3年的土壤中有當(dāng)季有機物的分解,還有前兩年的有機肥殘留的分解,因此經(jīng)過3a的施肥累積,對土壤中活性有效碳的影響效果凸顯,致使第3年的活性有機碳比前2年高。

土壤中RS處理的RMC含量最高,其次是CM和PM處理?？赡苁?種有機肥中,有不同的碳氮比(C/N),分別為稻草>雞糞>豬糞,有研究表明,有機肥施入土壤后一定時間范圍內(nèi),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含量為RS>CM>PM。土壤MBC是土壤有機碳中最活躍的組分[31],與土壤碳的轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系,其含量高低是衡量土壤肥力的重要指標[32],土壤中的RMC越高,土壤中稻草的礦化速度較慢,使之施入有機肥足以補償水稻生長過程對土壤有機質(zhì)的耗損,在土壤中逐年積累,其他研究者和本研究都表明了活性有機碳間有顯著的正相關(guān)關(guān)系[2, 18, 33],因此造成了DOC、ROC和RMC的含量也是RS>CM>PM。

3.2不同的活性有機碳組分與CH4排放關(guān)系

DOC在養(yǎng)分循環(huán)和淹水稻田的CH4產(chǎn)生中起著重要的作用[34],土壤DOC容易被微生物所利用[35-36],Vermoesen等的培養(yǎng)試驗證實土壤中DOC含量與淹水土壤的CH4排放呈正相關(guān),主要是由于土壤DOC作為土壤微生物的碳源和能源,為CH4菌提供基質(zhì),從而增加CH4排放。而焦燕等[36]表明稻田土壤中的DOC與CH4排放無明顯相關(guān)性,可能的原因為有機物料的加入,為產(chǎn)CH4菌活[37]動提供碳源的物質(zhì)不僅來自土壤本身的碳、水稻根系分泌物,同時有機物物料提供的碳也是重要來源。而已證明土壤DOC含量主要來自水稻根系分泌物[26,38-39],CH4排放與水稻根際DOC的含量呈正相關(guān)關(guān)系,而與非根際土壤DOC含量無相關(guān)系[39],故有機物料處理的土壤DOC含量對CH4排放的貢獻與其他碳源相比可能微不足道[36],焦燕等取的土壤樣品也為非根際土壤,因此稻田土壤中的DOC含量與CH4排放無相關(guān)性。

作為土壤中CH4產(chǎn)生的底物,土壤中的碳對其產(chǎn)生和排放具有重要影響,本研究表明,土壤中的幾種活性有機碳對CH4的排放均有一定的影響,但相對其他的活性有機碳,土壤中ROC的含量對CH4的影響更大,曾從盛[33]等在濕地的研究證實可能是CH4的產(chǎn)生和排放過程對環(huán)境的響應(yīng)非常敏感,土壤中的ROC是指示不同生境厭氧條件下碳分解潛力的主要碳源,厭氧條件下碳分解主要有CH4和CO2,可見,厭氧條件下稻田土壤中的 CH4主要來自土壤中的ROC。

土壤微生物群落調(diào)節(jié)有機物的分解和養(yǎng)分循環(huán),在維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和功能方面起著重要的作用。由于其人為干擾和對環(huán)境變化的敏感,土壤MBC已經(jīng)被廣泛的研究。本研究證實土壤中的MBC含量與稻田CH4排放呈顯著正相關(guān)關(guān)系,且直接影響CH4排放。

不同施肥處理的稻田土壤RMC含量與稻田CH4排放呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.542,P<0.01)。與其他研究者也認為土壤中的RMC與CH4排放有一定關(guān)系。Bossio等用土壤中RMC含量指示土壤活性有機碳濃度,外加秸稈后土壤中的RMC與CH4排放密切相關(guān)[40],Wang等研究連續(xù)施用4a秸稈的土壤RMC含量增加1.5倍,土壤CH4排放增加5倍多[41],Yagi 和 Minami 研究發(fā)現(xiàn),在不同類型土壤和不同稻草和廄肥還田試驗中,RMC含量與CH4排放呈直線關(guān)系,是影響淹水稻田CH4排放的主要因素之一[12],Mishra等研究證實,RMC與CH4排放之間的相關(guān)性達顯著水平(r=0.938),RMC 可以用作預(yù)示土壤有機質(zhì)被產(chǎn)甲烷菌利用的強度[42]?？梢娡寥乐械腞MC含量密切影響稻田CH4的排放。

4 結(jié)論

施有機肥提高土壤活性有機碳含量,有機肥處理的土壤DOC、ROC、MBC和RMC含量分別比化肥處理增加5.6%—19.3%、5.1%—21.5%和6.8%—22.9%。不同施肥處理的活性有機碳含量均為分蘗期大于成熟期。

施有機肥刺激稻田CH4的排放,PM、CM和RS處理的CH4排放比CF處理增加37.0%(P<0.01)、92.7%(P<0.01)和99.4%(P<0.01),3a不同處理的排放通量均為RS>CM>PM>CF和NF。分蘗期排放通量高于成熟期。

不同活性有機碳組分與稻田CH4排放通量存在顯著正相關(guān)關(guān)系,且四種有機碳間關(guān)系密切。不同的生育時期,以分蘗期土壤中的活性有機碳明顯影響稻田CH4排放；不同活性有機碳組分,土壤中ROC和MBC顯著影響稻田CH4排放。

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Effectsoforganicmanureapplicationonactivesoilorganiccarbonandmethaneemissioninpaddysoils

WU Jiamei1,2,*, HUO Lianjie3, JI Xionghui1,2, XIE Yunhe1, TIAN Faxiang1, PENG Hua1, ZHU Jian1, GUAN Di1

1InstituteofSoilandFertilizerinHunanProvince,KeyLaboratoryofAgro-EnvironmentinMidstreamofYangtzePlain,MinisterofAgriculture,Changsha410125,China2ChinaSouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha410125,China3He′nanXinyueEnvironmentalScienceandTechnologyResearchandDevelopmentCo.,Ltd.,Luoyang471000,China

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 CH4emissions significantly increased with application of organic manure. The CH4emissions under different treatments were in the following order: RS>CM>PM>CF>NF. The CH4emission 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 CH4emission was 142-fold higher at the tillering stage than at the maturity stage. (3): With the increasing duration of application, CH4emission 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 CH4emission, (e.g., the highest correlation coefficient between ROC and CH4emission,r=0.754,P<0.05). The contents in DOC, ROC, MBC, and RMC at the tillering stage had a significant correlation with CH4emission, 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 CH4emission, especially ROC and MBC content, which might be directly associated with CH4emission. 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 CH4emissions.

active soil organic carbon; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon; easily oxidized organic carbon; mineralizable organic carbon; methane emission

國家自然科學(xué)基金(31300413);國家科技支撐計劃課題(2013 BAD11B02)

2016- 06- 18; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: waloe@163.com

10.5846/stxb201606181181

吳家梅,霍蓮杰,紀雄輝,謝運河,田發(fā)祥,彭華,朱堅,官迪.不同施肥處理對土壤活性有機碳和甲烷排放的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(18):6167- 6175.

Wu J M, Huo L J, Ji X H, Xie Y H, Tian F X, Peng H, Zhu J, Guan D.Effects of organic manure application on active soil organic carbon and methane emission in paddy soils.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6167- 6175.