唐海明,肖小平,湯文光,孫繼民,劉 杰,汪 柯,李 超,程凱凱,李微艷,孫 耿

湖南省土壤肥料研究所,長(zhǎng)沙 410125

長(zhǎng)期施肥對(duì)雙季稻田甲烷排放和關(guān)鍵功能微生物的影響

唐海明*,肖小平,湯文光,孫繼民,劉 杰,汪 柯,李 超,程凱凱,李微艷,孫 耿

湖南省土壤肥料研究所,長(zhǎng)沙 410125

研究不同施肥措施對(duì)雙季稻田甲烷(CH4)排放特征的影響及其微生物學(xué)機(jī)理,對(duì)合理利用及評(píng)價(jià)不同施肥模式對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響具有重要意義。以長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)田為平臺(tái),采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)施用化肥(MF：mineral fertilizer alone)、秸稈還田配施化肥(RF：rice residues plus mineral fertilizer)、30%有機(jī)肥配施70%化肥(LOM：30% organic matter plus 70% mineral fertilizer)、60%有機(jī)肥配施40%化肥(HOM：60% organic matter plus 40% mineral fertilizer)和無(wú)肥(CK：without fertilizer)條件下雙季稻田CH4排放及其微生物學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,早稻和晚稻生長(zhǎng)期,不同施肥處理稻田CH4排放通量均顯著高于CK,表現(xiàn)為HOM>LOM>RF>MF>CK。各處理間CH4總排放量差異達(dá)顯著水平,其大小順序與排放通量趨勢(shì)一致,以HOM處理為最高,比CK處理增加105.56%,其次是LOM和RF處理,分別比CK處理增加72.97%和54.17%。關(guān)鍵功能土壤微生物測(cè)定結(jié)果表明,早稻和晚稻各個(gè)主要生育時(shí)期,各處理稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌的數(shù)量變化范圍為(3.18—81.07)×103cfu/g,土壤甲烷氧化細(xì)菌的數(shù)量變化范圍為(24.82—379.72)×103cfu/g。稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量大小順序?yàn)镠OM>LOM>RF>MF>CK,各施肥處理均顯著高于CK；HOM、LOM、RF處理顯著高于MF、CK處理。雙季稻田CH4排放與稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌、甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量變化關(guān)系密切。采用有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施促進(jìn)了雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4的排放和關(guān)鍵功能微生物的數(shù)量。

施肥；雙季稻；稻田；CH4；土壤微生物

甲烷(CH4)是大氣中重要的溫室氣體,對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的能量收支和全球氣候變化有重要影響[1]。CH4單位分子的增溫潛能是CO2的25倍[2],其氣體濃度正以每年約1%的速度增長(zhǎng)[3]。水稻是世界上主要的糧食作物之一,種植面積占糧食作物面積的1/3,其生產(chǎn)過(guò)程中伴隨著CH4等溫室氣體的產(chǎn)生,因此稻田在全球溫室氣體的計(jì)算中具有重要作用[4]。中國(guó)稻田面積約占世界水稻種植總面積的23%,位居世界第二,其中雙季稻播種面積占我國(guó)水稻總播種面積的64.7%[5]。因此,中國(guó)稻田CH4的排放受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注,稻田溫室氣體的排放已成為我國(guó)近年來(lái)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的研究熱點(diǎn)。

影響稻田CH4排放的因素較多,如稻田種植制度、作物種類(lèi)、土壤耕作方式、秸稈還田方式、施肥措施(制度)、水分管理等,其中施肥措施是稻田CH4排放重要的影響因素,包括肥料類(lèi)型、施用量以及施用方式等[6- 8]。已有研究認(rèn)為,有機(jī)肥的施用會(huì)增加土壤CH4的排放[9],施加有機(jī)肥能顯著增加稻田土壤的甲烷氧化活性和甲烷排放通量[10]。郭騰飛等[11]研究結(jié)果表明,施用有機(jī)肥和氮肥均增加了CH4和N2O的排放,秸稈還田增加了CH4排放,減少了N2O排放。Zou等[12]研究指出有機(jī)物料的投入會(huì)增加全球增溫潛勢(shì),因此不建議施肥中投入有機(jī)肥。研究表明,將秸稈轉(zhuǎn)化為生物碳可以減緩CH4排放,提高產(chǎn)量和土壤肥力[13]；秸稈還田以及施入家禽糞肥對(duì)比單施化肥增加了溫室氣體增溫潛勢(shì)[14]；土壤中施用有機(jī)物,如作物秸稈和有機(jī)肥均能顯著促進(jìn)稻田CH4的排放[15]。也有研究認(rèn)為,與單施化肥相比,有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施能明顯減少N2O的排放,但有機(jī)肥的施用會(huì)增加土壤CH4排放[16]。

目前,不同施肥措施對(duì)稻田CH4排放、甲烷氧化活性和群落結(jié)構(gòu)等方面已有很多研究報(bào)道[10,14,17],但長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)稻田CH4排放通量影響的微生物學(xué)機(jī)理研究報(bào)告尚較少。有機(jī)物的施入能顯著提高古細(xì)菌的數(shù)量和活性[17],并能為CH4的產(chǎn)生提供大量的活性有機(jī)基質(zhì)[18]。土壤微生物是影響CH4排放的關(guān)鍵因素[19]。稻田CH4排放與產(chǎn)甲烷古菌及甲烷氧化菌之間有著密切的關(guān)系,影響土壤中產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化菌的因素,均會(huì)影響稻田CH4的排放。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是研究肥料對(duì)土壤微生物影響的最好方法之一。因此,本研究以28年長(zhǎng)期定位施肥稻田為基礎(chǔ),開(kāi)展有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施條件下稻田CH4排放通量和關(guān)鍵功能微生物的研究,以期闡明長(zhǎng)期定位施肥對(duì)稻田CH4排放通量和關(guān)鍵功能微生物的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

不同施肥模式定位試驗(yàn)始于1986年,在湖南省寧鄉(xiāng)縣農(nóng)技中心內(nèi)進(jìn)行(112°18′ E,28°07′ N),該區(qū)域?yàn)榈湫偷碾p季稻主產(chǎn)區(qū),海拔36.1 m,年均氣溫16.8℃,年平均降雨量1553.70 mm,年蒸發(fā)量1353.9 mm,無(wú)霜期274 d。試驗(yàn)地土壤為水稻土,河沙泥土種,種植制度為大麥-雙季稻,肥力中等,排灌條件良好。1986年試驗(yàn)前耕層土壤(0—20 cm)基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)29.39 g/kg、全氮2.01 g/kg、全磷0.59 g/kg、全鉀20.6 g/kg、堿解氮144.1 mg/kg、有效磷12.87 mg/kg、速效鉀33.0 mg/kg和pH 6.85。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：(1) 化肥處理：施氮、磷、鉀化肥,不施任何有機(jī)肥(MF: mineral fertilizer alone)；(2) 秸稈還田+化肥處理：施用晚稻秸稈與化肥處理(RF: rice residues plus mineral fertilizer)；(3) 30%有機(jī)肥處理：有機(jī)肥的氮含量占總施氮量的30%,其余70%的氮為化肥氮(LOM: 30% organic matter plus 70% mineral fertilizer)；(4) 60%有機(jī)肥處理：有機(jī)肥的氮含量占總施氮量的60%,其余40%的氮為化肥氮(HOM: 60% organic matter plus 40% mineral fertilizer)；(5) 無(wú)肥對(duì)照：不施任何肥料(CK: without fertilizer)。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)10.00 m,寬6.67 m,面積66.7 m2,小區(qū)間用水泥埂隔開(kāi),埋深100 cm,高出田面35 cm。保證各小區(qū)不竄灌、竄排。由于該長(zhǎng)期試驗(yàn)開(kāi)始于20多年以前,受當(dāng)時(shí)條件的限制沒(méi)有設(shè)置重復(fù)。2014年,早稻供試品種為湘早秈45號(hào),4月1日播種育苗,5月2日進(jìn)行大田耕地和施基肥,5月8日移栽,7月24日收獲；晚稻供試品種為五優(yōu)308,6月25日播種育苗,7月25日進(jìn)行大田耕地和施基肥,7月26日移栽,10月26日收獲。早稻和晚稻均采用人工移栽,移栽行株距均為25.0 cm×25.0 cm,均為二本栽插。

早稻和晚稻各施肥處理總施N分別為 142.5 kg/hm2、P2O554.0 kg/hm2、K2O 63.0 kg/hm2和157.5 kg/hm2、P2O543.2 kg/hm2、K2O 81.0 kg/hm2；早稻季和晚稻季秸稈還田量分別為2775.0 kg/hm2(秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.65%、0.13%和0.89%)和3600.0 kg/hm2(秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.68%、0.15%和0.91%)；30%有機(jī)肥、60%有機(jī)肥處理的有機(jī)肥均為腐熟雞糞,在早稻季和晚稻季的施用量分別為2625.0、5250.0 kg/hm2和2670.0、5340.0 kg/hm2(有機(jī)肥養(yǎng)分含量均為N 1.77%、P2O50.80%和K2O 1.12%),各處理以等氮量為基準(zhǔn),不足的氮、磷、鉀肥用化肥補(bǔ)足；早稻和晚稻各施肥處理的秸稈和有機(jī)肥均于稻田耕地時(shí)作基肥一次性施入；N和K2O作基肥和追肥2次施入,基肥在耕地時(shí)施入,追肥在移栽后7 d施用,基、追肥比例均按7∶3施用；P2O5在耕地時(shí)作基肥一次性施入。各施肥處理每一年所使用的肥料種類(lèi)及施用量均保持一致。早稻和晚稻田間管理為在移栽后保持淺水條件,結(jié)合施用分蘗肥進(jìn)行雜草防除,分蘗期進(jìn)行曬田,曬田后復(fù)水,后期進(jìn)行干濕交替灌溉,水稻完熟后落干曬田、收獲。其他管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

1.3.1氣體樣品采集與測(cè)定

用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法采集CH4氣體。采樣箱由5mm厚PVC板制成,規(guī)格為80cm×80cm×120cm(長(zhǎng)×寬×高),外部包有海綿和錫箔紙,以防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致的箱內(nèi)氣溫變化過(guò)大。在2014年早稻和晚稻移栽后,分別于各個(gè)處理小區(qū)稻田內(nèi)安裝3次重復(fù)的靜態(tài)箱底座,底座入土5cm,底座內(nèi)均含有生長(zhǎng)的水稻。在移栽后的第2d開(kāi)始進(jìn)行氣體采集,以后每隔7d采集1次；每次氣體樣品采集時(shí),每個(gè)處理均采集3次重復(fù)。每次采樣時(shí)間為9:00—11:00,取樣時(shí)將采樣箱垂直安放在底座凹槽內(nèi)并用水密封,保證箱內(nèi)氣體與大氣不進(jìn)行氣體交換。箱蓋上裝有2個(gè)小風(fēng)扇,采樣前將箱內(nèi)頂部風(fēng)扇打開(kāi),使箱內(nèi)氣體混和均勻。蓋箱之后的0、10、20、30min采樣,用50mL注射器從箱中抽取氣體,通過(guò)旋轉(zhuǎn)三通閥轉(zhuǎn)移到0.5L氣體采樣袋,備測(cè)。

CH4濃度測(cè)定采用經(jīng)改裝的氣相色譜(Agilent7890A,美國(guó))和自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)行,檢測(cè)器分別是火焰離子檢測(cè)器(FID)和電子捕獲檢測(cè)器(ECD),進(jìn)樣口溫度分別為200℃和330℃。分離材料為PQ填充柱,柱溫55℃。標(biāo)準(zhǔn)氣體由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供。

稻田CH4[mg m-2h-1)]排放通量的計(jì)算公式如下[20]：

F=ρh[273.15/(273.15+T)] dC/dt

式中,F為排放通量；ρ為CH4標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度(0.714kg/m3)；h為經(jīng)過(guò)水層高度調(diào)整后采樣箱頂部距水面的實(shí)際高度(m)；dC/dt為采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)CH4的濃度變化率；T為采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

根據(jù)氣樣濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線計(jì)算CH4的排放通量,然后計(jì)算水稻整個(gè)生長(zhǎng)期CH4的排放總量(平均通量值與水稻整個(gè)生長(zhǎng)期總小時(shí)數(shù)的乘積)[21-22]。

大氣中某一氣體的溫室效應(yīng)(GWPs)為該氣體釋放量與增溫系數(shù)的乘積,而增溫系數(shù)為單位質(zhì)量的該氣體引起的溫室效應(yīng)對(duì)應(yīng)于相同效應(yīng)的CO2的質(zhì)量。在100年的時(shí)間尺度上,CH4的增溫系數(shù)為25[2]。

1.3.2土壤樣品采集與測(cè)定

于2014年分別在早稻和晚稻的苗期、分蘗期、孕穗期、齊穗期、成熟期10個(gè)時(shí)期,進(jìn)行了土壤樣品的采集,每個(gè)小區(qū)用土鉆通過(guò)5點(diǎn)取樣法取0—20cm土壤樣品；每次取樣時(shí),于每個(gè)小區(qū)取3次重復(fù)的土壤樣品。為避免表層土微生物受空氣的影響,去除0—5cm土壤,選用5—15cm處土壤,剔除石礫及植物殘?bào)w等雜物后,迅速裝入塑料袋并置于冰盒中,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,4℃冰箱保存,用于土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化菌數(shù)量測(cè)定。產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量計(jì)數(shù)培養(yǎng)基的組成分別按錢(qián)澤澍和閔航[23]及許光輝和鄭洪元[24]的方法,采用滾管法測(cè)定土樣中甲烷氧化細(xì)菌的種群數(shù)量,分別取0.5mL10-4、10-5、10-6和10-7的土樣稀釋液,接種于3支裝有4.5mL已融化的45—50℃甲烷氧化菌固體培養(yǎng)基中,立即滾管,然后每支試管中加入5mL甲烷氣體,在30℃恒溫培養(yǎng)7d,計(jì)數(shù)試驗(yàn)內(nèi)菌落的數(shù)量(菌落數(shù)在20—100以內(nèi)的試管作為計(jì)數(shù)試管)；采用MPN法測(cè)定產(chǎn)甲烷古菌種群的數(shù)量,取10-2、10-3、10-4、10-5、10-6和10-7的土樣稀釋液0.5mL,分別接種于3支裝有4.5mL產(chǎn)甲烷培養(yǎng)基中,然后加0.1% Na2S和5% NaHCO3混合液和0.1mL青霉素(50mg/mL),在30℃恒溫培養(yǎng)10d。

于11月晚稻成熟收獲時(shí)采集各處理0—20cm土壤新鮮樣品,風(fēng)干過(guò)篩,用于測(cè)定土壤pH值(土∶水=1∶2.5)、有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀容量法)、全氮(重鉻酸鉀-硫酸消化法)、堿解氮(堿解擴(kuò)散法)、有效磷(NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)以及速效鉀含量(NH4Ac浸提-火焰光度法)[25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析采用Excel2003軟件進(jìn)行,方差分析和多重比較采用DPS3.11軟件進(jìn)行,多重比較采用LSD法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)稻田CH4排放通量的影響

早稻生育期,化肥(MF)、30%有機(jī)肥+70%化肥(LOM)、60%有機(jī)肥+40%化肥(HOM)和無(wú)肥(CK)處理稻田在插秧后第24天出現(xiàn)CH4排放高峰值,然后下降保持較低的水平；而秸稈還田+化肥(RF)處理在插秧后第33天出現(xiàn)CH4排放高峰值。在早稻整個(gè)生長(zhǎng)期,各處理稻田CH4排放通量大小順序表現(xiàn)為：HOM>LOM>RF>MF>CK(圖1)。

晚稻生育期,各處理稻田CH4排放通量主要集中在分蘗期,均在插秧后第24天出現(xiàn)排放峰值,然后下降保持較低的水平至水稻成熟收獲。在晚稻整個(gè)生長(zhǎng)期,各處理稻田CH4排放通量大小順序表現(xiàn)為：HOM>LOM>RF>MF>CK(圖1)。

圖1 長(zhǎng)期施肥對(duì)水稻生育期稻田甲烷排放通量的影響Fig.1 Effects of different long-term fertilizer treatments on CH4 fluxes from paddy field during early and late rice whole growth periodsMF：化肥Mineral fertilizer alone；RF：秸稈還田Rice residues plus mineral fertilizer；LOM：30%有機(jī)肥+70%化肥30% Organic matter plus 70% mineral fertilizer；HOM：60%有機(jī)肥+40%化肥60% Organic matter plus 40% mineral fertilizer；CK：無(wú)肥Without fertilizer

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)稻田CH4排放量的影響

水稻生長(zhǎng)期稻田CH4總排放量為早稻和晚稻季排放量之和。早稻和晚稻生育期,HOM、LOM、RF和MF處理稻田CH4總排放量分別為5.074、4.521、4.418、3.470 g/m2和6.099、4.881、3.961、3.212 g/m2；其中MF、RF、LOM和HOM處理稻田CH4總排放量均顯著高于CK處理,各處理間稻田CH4總排放量差異達(dá)顯著差異(P< 0.05)。早稻和晚稻生育期,各處理稻田CH4總排放量大小順序均表現(xiàn)為：HOM>LOM>RF>MF>CK(表1)。水稻生長(zhǎng)期稻田CH4總排放量以HOM處理為最高,達(dá)11.172 g/m2,比CK處理增加105.56%,其次是LOM和RF處理,分別為9.401 g/m2和8.379 g/m2,分別比CK處理增加72.97%和54.17%,CK處理為最低,為5.435 g/m2；各處理間稻田CH4總排放量差異達(dá)顯著差異(P< 0.05)。

表1 不同施肥處理對(duì)早稻和晚稻生育期稻田CH4排放量的影響/(g/m2)

MF：化肥Mineral fertilizer alone；RF：秸稈還田Rice residues plus mineral fertilizer；LOM：30%有機(jī)肥+70%化肥30% Organic matter plus 70% mineral fertilizer；HOM：60%有機(jī)肥+40%化肥60% Organic matter plus 40% mineral fertilizer；CK：無(wú)肥Without fertilizer; 同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到5%的顯著水平

2.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)稻田甲烷綜合溫室效應(yīng)的影響

全球增溫潛勢(shì)(GWPs)能反應(yīng)不同溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)增強(qiáng)的相對(duì)輻射效應(yīng)。在本研究中,整個(gè)水稻生長(zhǎng)期(早稻和晚稻)各個(gè)處理間稻田CH4氣體的GWPs差異達(dá)顯著水平,其大小順序表現(xiàn)為HOM>LOM>RF>MF>CK；其中,以HOM處理稻田CH4溫室效應(yīng)最大,為2797.01 kg CO2-eq/hm2,LOM和RF處理次之,分別為2353.63 kg CO2-eq/hm2和2097.71 kg CO2-eq/hm2,CK處理最低,為1360.55 kg CO2-eq/hm2。

表2中表明,RF處理雙季水稻產(chǎn)量為最高,CK處理最低。通過(guò)對(duì)單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量計(jì)算結(jié)果表明,HOM處理的單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量為最高,其次是CK處理,LOM處理次之,RF和MF處理單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量為最低。

表2不同施肥處理早稻和晚稻生育期稻田CH4排放的綜合溫室效應(yīng)

Table2Doublericegrainyield,globalwarmingpotentials(GWPs)ofCH4andperyieldGWPsfrompaddyfieldunderlong-termfertilizertreatments

處理TreatmentCH4排放量/(g/m2)CH4emissionCH4溫室效應(yīng)/(kgCO2/hm2)GWPsofCH4雙季水稻產(chǎn)量/(kg/hm2)Earlyandlatericegrainyield單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量/(kg/kg)PeryieldGWPsCO2MF6.682±0.323d1672.79±80.74d10479.50.16±0.01cRF8.379±0.271c2097.71±67.94c12098.00.17±0.01cLOM9.401±0.242b2353.63±60.56b10935.50.22±0.01bHOM11.172±0.193a2797.01±48.29a11038.50.25±0.01aCK5.435±0.157e1360.55±39.28e5722.50.24±0.01a

2.4 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量的影響

早稻各個(gè)主要生育時(shí)期,各施肥處理的稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量呈拋物線變化趨勢(shì),苗期到分蘗期不斷增加,于分蘗期達(dá)到最高值,之后呈下降的變化趨勢(shì)。HOM處理土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量最高,顯著高于其他處理；其次是LOM和RF處理,均顯著高于MF和CK處理；各處理土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量大小順序表現(xiàn)為HOM>LOM>RF>MF>CK(圖2)。

晚稻各個(gè)主要生育時(shí)期,各施肥處理稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量的變化與早稻生育期相似,表現(xiàn)為HOM>LOM>RF>MF>CK,以HOM處理土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量為最高,且各處理間顯著差異(圖2)。

圖2 長(zhǎng)期施肥對(duì)水稻主要生育時(shí)期土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量的影響Fig.2 Effects of different long-term fertilizer treatments on the number of methanogens in paddy field at early and late rice main growth stages圖柱上不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到5%的顯著水平

2.5 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤甲烷氧化菌數(shù)量的影響

早稻苗期到分蘗期以及晚稻各個(gè)主要生育時(shí)期,各施肥處理稻田土壤甲烷氧化菌數(shù)量不斷增加,于分蘗期達(dá)到最高值,之后呈下降的變化趨勢(shì)(圖3)。早稻各個(gè)主要生育時(shí)期,HOM處理稻田土壤甲烷氧化菌數(shù)量為最高,均顯著高于RF、MF和CK處理；其次是LOM和RF處理,均顯著高于CK處理；各處理土壤甲烷氧化菌數(shù)量大小順序表現(xiàn)為HOM>LOM>RF>MF>CK(圖3)。

圖3 長(zhǎng)期施肥對(duì)水稻主要生育時(shí)期土壤甲烷氧化菌數(shù)量的影響Fig.3 Effects of different long-term fertilizer treatments on the number of methanotrophs in paddy field at early and late rice main growth stages

2.6 甲烷排放通量與土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化菌數(shù)量的關(guān)系

雙季稻稻田甲烷排放通量與稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌的數(shù)量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。稻田甲烷排放通量與稻田土壤甲烷氧化菌數(shù)量存在正相關(guān)的關(guān)系,但是相關(guān)性不顯著；土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量與甲烷氧化菌數(shù)量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(表3)。

表3 稻田甲烷排放通量與土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化菌數(shù)量的相關(guān)性分析

*和**分別表示5%和1%水平顯著相關(guān)

2.7 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

與CK處理相比,有機(jī)肥配合施用化肥可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量(表4)。其中,HOM處理稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均為最高,分別比CK處理增加28.0 g/kg、1.77 g/kg、157.0 mg/kg、234.21 mg/kg和14.0 mg/kg；LOM處理較MF、RF和CK處理提高了土壤的養(yǎng)分含量,但其含量均低于HOM處理。RF和MF處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量均顯著高于CK處理,而有效磷與CK處理均無(wú)顯著差異。各處理間土壤pH值差異不大。

表4 長(zhǎng)期施肥對(duì)稻田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響(0—20 cm)

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施肥與稻田CH4排放及全球增溫潛勢(shì)的關(guān)系

CH4排放是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,它包括產(chǎn)生、氧化和排放等過(guò)程。前人的研究結(jié)果表明,施用氮肥促進(jìn)了稻田CH4的排放[26-29]。本研究中,早稻和晚稻生育期,秸稈還田、有機(jī)肥配施化肥(RF、LOM和HOM)處理稻田CH4排放通量、排放量和土壤產(chǎn)甲烷古菌、甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均明顯高于無(wú)肥對(duì)照(CK),這與Wang等[16]研究結(jié)果相一致。其原因是：(1)長(zhǎng)期施入有機(jī)肥和秸稈還田后,有利于改善土壤部分理化特性,培肥土壤(表4),并能為土壤微生物活動(dòng)提供碳源和能量,增強(qiáng)了土壤生物活動(dòng),同時(shí)也加速土壤中氧氣的消耗量、降低了土壤Eh值；(2)由于長(zhǎng)期大量碳源(秸稈和有機(jī)肥)加入使土壤有機(jī)碳源同化作用加強(qiáng)[30],為稻田CH4產(chǎn)生提供了底物,且土壤生態(tài)環(huán)境較好,促進(jìn)了土壤微生物大量繁殖(圖2)；(3)長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用促進(jìn)了作物根系生長(zhǎng),水稻根系分化養(yǎng)分能力增強(qiáng),根系分泌物、脫落物增加,也促進(jìn)了土壤微生物的繁殖[31]。

各處理稻田CH4排放通量和排放量與土壤部分理化特性關(guān)系密切。在本研究各個(gè)施肥處理,LOM和HOM處理稻田CH4排放通量和排放量均為最高,其原因是長(zhǎng)期有機(jī)肥與化肥配合施用有利于改善土壤部分理化性質(zhì),長(zhǎng)期有機(jī)物的投入使微生物量碳發(fā)生變化,提高了土壤有機(jī)碳積累和速效養(yǎng)分含量(表4),為土壤微生物活性提高提供了較好的土壤生態(tài)環(huán)境,從而促進(jìn)了稻田CH4排放。RF處理稻田CH4排放通量和排放量均高于長(zhǎng)期單獨(dú)施用化肥(MF)和CK處理,但均低于HOM和LOM處理,其原因?yàn)殚L(zhǎng)期采用秸稈還田,與長(zhǎng)期單獨(dú)施用化肥和無(wú)肥處理相比,有較多的秸稈碳被微生物分解轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)又被土壤微生物吸收并成為其機(jī)體的一部分,雖提高了土壤有機(jī)碳積累和CH4排放相應(yīng)的土壤關(guān)鍵功能微生物數(shù)量(表4、圖2和圖3),但其土壤有機(jī)碳積累、速效養(yǎng)分含量和關(guān)鍵功能微生物數(shù)量均低于長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用處理[32]。與RF、LOM和HOM處理相比,MF降低了稻田CH4排放通量,其原因可能是缺少有機(jī)氮肥施入,影響了土壤部分理化性質(zhì)的變化,造成土壤中存在過(guò)量的無(wú)機(jī)氮肥水平,使土壤C/N比降低,加速了土壤中原有有機(jī)碳分解,導(dǎo)致土壤中積累的有機(jī)碳總量、速效養(yǎng)分含量較少(表4),影響了產(chǎn)甲烷古菌活動(dòng),從而降低了CH4排放。

全球增溫潛勢(shì)(GWPs)作為一種相對(duì)的指標(biāo)常用來(lái)估計(jì)不同溫室氣體對(duì)氣候系統(tǒng)的潛在效應(yīng)。Tang等[33]發(fā)現(xiàn),冬季作物秸稈還田促進(jìn)了雙季稻田的GWPs。Zhu等[34]研究認(rèn)為,冬季作物-雙季稻多熟種植模式條件下,紫云英秸稈還田處理具有最高的GWPs。本研究結(jié)果表明,與RF和MF處理相比,LOM和HOM處理促進(jìn)了稻田CH4排放量,因此具有更大的GWPs。施用有機(jī)肥和秸稈還田處理周年水稻產(chǎn)量均明顯高于CK處理,但RF處理單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量均顯著低于LOM、HOM和CK處理。因此,在長(zhǎng)江中下游雙季稻區(qū)可采取秸稈還田的施肥模式,有利于減少化學(xué)氮肥施用量、減輕稻田溫室氣體排放和維持水稻產(chǎn)量。

3.2 稻田CH4排放與關(guān)鍵功能微生物數(shù)量變化的關(guān)系

稻田CH4的生成要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng),是產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌相互作用的結(jié)果,其數(shù)量和活性受許多因素的影響,如耕作制度、作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型、施肥種類(lèi)和方式、水分管理等措施[15,35-37],其中施肥是影響其數(shù)量和活性的關(guān)鍵因素之一。本研究采用傳統(tǒng)的技術(shù)手段測(cè)定結(jié)果表明,產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量一般比同期測(cè)定的甲烷氧化菌數(shù)量低,但水稻生長(zhǎng)過(guò)程中稻田有一定數(shù)量的CH4釋放,這表明稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌的甲烷形成活性高于甲烷氧化菌的甲烷氧化活性[38]。同時(shí),稻田CH4排放通量在分蘗期出現(xiàn)高峰時(shí),土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均為高值；而在稻田CH4排放通量為低峰時(shí),土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量也較低,這表明土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量的多少與CH4排放通量高低關(guān)系密切,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明稻田CH4排放通量與土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均呈正相關(guān)關(guān)系,與稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌的數(shù)量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(表 3),在類(lèi)似的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)條件下還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道,但在不同水稻土類(lèi)型條件下有相似的研究結(jié)果[39]；同時(shí),本研究采用傳統(tǒng)的技術(shù)手段對(duì)于甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量之間關(guān)系的研究結(jié)果,這與目前他人采用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法進(jìn)行土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量測(cè)試的研究結(jié)果相似[40]。在本研究中,各處理稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量大小順序與其CH4排放通量大小順序相一致,這可能是外界環(huán)境因素合適時(shí)促進(jìn)了產(chǎn)甲烷微生物的活動(dòng),導(dǎo)致CH4排放增加,由于環(huán)境中CH4濃度的增加,進(jìn)而刺激了甲烷氧化微生物的活動(dòng)。

在開(kāi)展研究的雙季稻主產(chǎn)區(qū),晚稻生育期的氣溫均高于早稻生育期[41],早稻和晚稻生育期稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均存在差異(圖 2和圖 3),這也是造成早、晚稻季稻田CH4排放出現(xiàn)差異重要的環(huán)境因素。各處理稻田CH4排放的土壤關(guān)鍵功能微生物數(shù)量與土壤部分理化特性關(guān)系密切。在各個(gè)施肥處理,LOM和HOM處理稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均為最高,其原因可能是長(zhǎng)期有機(jī)肥與化肥配合施用有機(jī)物的投入使微生物量碳發(fā)生變化,提高了土壤有機(jī)碳積累及改善了土壤部分速效養(yǎng)分含量(表 4),從而促進(jìn)了土壤微生物的活性和數(shù)量。MF處理稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量低于RF、LOM和HOM處理,其原因可能是一方面長(zhǎng)期施用化肥水稻植株生長(zhǎng)狀況較差,根系及殘留物都較少,且長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)氮肥,使土壤C/N比降低,加速了土壤中原有有機(jī)碳分解,降低了土壤有機(jī)碳和部分土壤速效養(yǎng)分含量,減少了土壤微生物的反應(yīng)底物和土壤微生物生物量[42]；另一方面長(zhǎng)期單獨(dú)施用化肥,造成稻田土壤中存在過(guò)量的無(wú)機(jī)氮肥水平和土壤部分理化特性發(fā)生明顯的變化,與RF、LOM和HOM處理相比,降低了土壤部分養(yǎng)分含量(表4),影響了土壤微生物活性碳源和能量的來(lái)源,從而降低了產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量。

4 結(jié)論

不同施肥處理對(duì)雙季稻田CH4排放具有明顯的影響,與無(wú)肥稻田相比,采取施肥處理均促進(jìn)了稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4的排放。早稻和晚稻生長(zhǎng)期,各處理稻田CH4排放通量和總排放量均表現(xiàn)為60%有機(jī)肥+40%化肥>30%有機(jī)肥+70%化肥>秸稈還田>化肥>無(wú)肥。各處理稻田CH4的全球增溫潛勢(shì)差異達(dá)顯著水平,其大小順序表現(xiàn)為60%有機(jī)肥+40%化肥>30%有機(jī)肥+70%化肥>秸稈還田>化肥>無(wú)肥；60%有機(jī)肥+40%化肥處理的單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量為最高,其次是無(wú)肥處理,30%有機(jī)肥+70%化肥處理次之,秸稈還田和化肥處理單位溫室效應(yīng)產(chǎn)量為最低。

雙季稻田CH4排放與土壤產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量關(guān)系密切。早稻和晚稻各個(gè)主要生育時(shí)期,均以60%有機(jī)肥+40%化肥處理稻田土壤產(chǎn)甲烷古菌數(shù)量為最高,均顯著高于其他處理,其大小順序表現(xiàn)為60%有機(jī)肥+40%化肥>30%有機(jī)肥+70%化肥>秸稈還田>化肥>無(wú)肥。早稻和晚稻各個(gè)主要生育時(shí)期,各施肥處理稻田土壤甲烷氧化菌數(shù)量大小順序均表現(xiàn)為60%有機(jī)肥+40%化肥>30%有機(jī)肥+70%化肥>秸稈還田>化肥>無(wú)肥。

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Effectsoflong-termfertilizertreatmentsonCH4fluxesandkeyfunctionalmicroorganismsinadouble-croppingpaddyfield

TANG Haiming*, XIAO Xiaoping, TANG Wenguang, SUN Jimin, LIU Jie, WANG Ke, LI Chao, CHENG Kaikai, LI Weiyan, SUN Geng

HunanSoilandFertilizerInstitute,Changsha410125,China

Methane (CH4) fluxes and their key functional microorganisms in a double-cropping paddy field are affected by long-term fertilizer treatment; thus, it was important to utilize and evaluate different fertilization regimes on rice growth. A manual static chamber-gas chromatography (GC) technique was used to verify the effects of different fertilizer treatments, which included mineral fertilizer alone (MF), rice residues plus mineral fertilizer (RF), 30% organic matter plus 70% mineral fertilizer (LOM), 60% organic matter plus 40% mineral fertilizer (HOM), and a control without fertilizer (CK), on CH4emissions from double-cropping paddy fields in subtropical regions of China and on the microbial mechanisms driving them. The results showed that the flux of CH4from the HOM, LOM, RF, and MF treatments was higher than that of the CK treatment, and it varied with different fertilizer treatments in the following order: HOM>LOM>RF>MF>CK. Further, CH4emissions were significantly greater during the entire growth period for early and late rice in the HOM, LOM, RF, and MF treatments than in the CK treatment (P< 0.05). CH4emissions from paddy fields in the HOM, LOM, and RF treatments increased by 105.56%, 72.97%, and 54.17%, respectively, compared with the CK treatment. At the main growth stages of early and late rice, the abundance of methanogens under the different fertilizer treatments ranged from 3.18×103cfu/g to 81.07×103cfu/g, while that of methanotrophs ranged from 24.82×103cfu/g to 379.72 ×103cfu/g. The results indicated that the abundance of the methanogens and methanotrophs were significantly greater in the HOM, LOM, RF, and MF treatments at the main growth stages of early and late rice than they were in the CK treatment. Additionally, the abundance of methanogens and methanotrophs varied under the different fertilizer treatments in the following order: HOM > LOM > RF > MF > CK. Moreover, the abundance of methanogens and methanotrophs was significantly greater in the HOM, LOM, and RF treatments at the main growth stages than they were in the MF or CK treatments. CH4emissions were significantly correlated with the abundance of methanogens and methanotrophs during the whole growth period. Our results clearly demonstrated that CH4emissions from paddy fields and the abundance of key functional microorganism were promoted by the application of inorganic fertilizer combined with organic manure practices in a double paddy field ecosystem.

fertilizer; double-cropping; paddy field; CH4; soil microorganism

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31571591,31201178)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503123)

2016- 09- 04; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tanghaiming66@163.com

10.5846/stxb201609041803

唐海明,肖小平,湯文光,孫繼民,劉杰,汪柯,李超,程凱凱,李微艷,孫耿.長(zhǎng)期施肥對(duì)雙季稻田甲烷排放和關(guān)鍵功能微生物的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(22):7668- 7678.

Tang H M, Xiao X P, Tang W G, Sun J M, Liu J, Wang K, Li C, Cheng K K, Li W Y, Sun G.Effects of long-term fertilizer treatments on CH4fluxes and key functional microorganisms in a double-cropping paddy field.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7668- 7678.