长期不同施肥条件下南方典型性水稻土有机碳矿化与CO、CH产生研究

摘要

土壤有机碳与碳排放是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，稻田土壤是我国农田土壤碳库的重要载体和主要的粮食生产资料，同时也是温室气体的重要排放源，因此在全球变暖背景下，稻田温室气体的减排已成为全球变化研究的重要内容。随着人口的增长，对粮食的需求量不断增加，肥料的大量投入成为作物增产的重要手段，然而，长期肥料施用下的土壤碳循环特点还不完全清楚，因此，采用长期定位试验研究土壤碳排放及碳库的稳定性，可以为深化理解全球变化背景下的温室气体的源汇效应提供资料。 本文选择了两个代表性水稻土的长期肥料试验田作为研究对象： 1．太湖地区黄泥土的长期肥料试验田(18年)，试验田分四个处理，无肥区(简称NF)，化肥区(简称NPK)，化肥配施猪粪(简称CFM)和化肥配施秸秆(简称CFS)； 2．江西红壤性水稻土长期肥料试验田(24年)，试验田分五个处理，无肥区(简称NF)，纯氮区(简称N)，氮磷配施区(简称NP)，氮磷钾配施区(NPK)，氮磷钾配施猪粪区(简称NPKM)。 采用田间观测和室内培育的方法，分别研究了长期施肥条件下的土壤呼吸、好气和淹水条件下土壤有机碳矿化与CO<,2>、CH<,4>产生以及土壤氧化CH<,4>能力的变化，并分析讨论了升温效应，主要结果如下： 水稻土基底呼吸速率介于12.2-25.2 mg·m<'-2>·h<'-1>，明显小于文献报道的自然和旱地土壤的研究结果，不同施肥措施显著地影响水稻土土壤呼吸的强度，与有机无机肥料配施相比，长期单施化肥下CO<,2>排放强度提高了55％～85％，并且显著提高了土壤的代谢商和土壤呼吸对土壤(5cm)温度响应的敏感性。相关分析显示，土壤呼吸CO<,2>排放强度与土壤微生物N(N<,mic>)、微生物C：N(C<,mic>/N<,mic>)和P的有效性有密切的关系，表明生物有效N和P的有效性是影响农田土壤呼吸与CO<,2>的生成和排放的重要因素。 水稻土有机碳矿化因土壤类型和水分条件而异。太湖地区黄泥土淹水矿化率(0.20-0.52 mg·gOC<'-1>·d<'-1>)显著高于红壤性水稻土(0.11-0.16 mg-gOC<'-1>·d<'-1>)，表明红壤性水稻土有机碳稳定性较高而微生物分解的生物可利用性较低，然而，对于好气和厌气两种条件的有机碳矿化率而言，不同土壤类型可能存在差异，供试红壤性水稻土好气条件下矿化速率显著高于淹水条件下，而黄泥土在两种水分条件下的矿化差异还有待于进一步研究。同一土壤不同粒组土壤有机碳的微生物可利用性显著不同，粗粒组(2000-200μm)有高的有机碳含量和高的生物有效性，对温室气体的产生和释放起主要作用，而粘粒组尽管有机碳含量较高，但生物有效性低且受外界变化的影响较小，CH<,4>在此粒组几乎不产生。 温室气体的产生和排放与微生物的多样性和活性密切相关，利用PCR-DGGE方法对不同施肥条件下土壤氧化CH<,4>的能力和甲烷氧化菌群落结构变化的研究表明，长期有机肥和化肥配施有利于提高土壤氧化内源CH<,4>的能力和甲烷氧化茵的多样性，进一步分析表明，甲烷氧化菌多样性的变化可能是引起土壤氧化CH<,4>能力变化的重要原因。 水稻土有机碳的微生物可利用性(稳定性)与其在土壤中的保护机制有关，土壤团聚体的形成和高含量的氧化铁是水稻土有机碳稳定的重要机制。然而，土壤有机碳本身的稳定性同时受施肥方式的显著影响，本试验结果也表明施肥可能因增加作物生产力而增加土壤有机碳的输入，从而增加活性有机碳在总有机碳的比例。相关分析表明，Kos与CO<,2>产生存在显著地负相关关系，因此，可以用Kos探讨有机碳的生物有效性。 红壤性水稻土厌气培养土壤有机碳矿化率显著低于好气条件，且两种条件下土壤有机碳矿化率对温度敏感性的影响因素不同，好气条件下Q<,10>与游离氧化铁显著相关，而在淹水条件下则与微生物商呈显著相关，由此看来，两种条件下有机碳矿化存在不同的机制和控制因素。 综上所述，在水稻土中，土壤中养分含量、土壤CO<,2>呼吸排放、土壤有机碳的稳定性、微生物群落结构均受到了施肥措施的显著影响，同时，土壤有机碳的固存与温室气体释放的关系在不同施肥措施下也产生了不同的变化，这为探讨通过农业管理措施和养分调控的途径，实现稻田土壤增产固碳和温室气体减排的综合效益提供了理论依据，尤其对目前减缓全球变暖的趋势具有重要意义。

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引言

第一章文献综述 土壤有机碳矿化与温室气体产生的研究进展

第二章不同施肥条件下水稻土基底呼吸与CO2排放强度：野外观测

2.1引言

2.2材料和方法

2.2.1观测地点和试验设计

2.2.2土壤样品采集与CO2测定

2.2.3土壤微生物碳、氮测定

2.2.4土壤全磷和树脂磷的测定

2.2.5统计与显著性检验

2.3结果分析

2.3.1土壤CO2呼吸排放的强度及其日变化格式

2.3.2水稻土CO2呼吸排放速率与日排放量

2.4讨论

2.4.1水稻土的基底呼吸与CO2排放强度

2.4.2农田施肥措施对水稻土呼吸CO2排放的影响

2.4.3土壤CO2呼吸排放与土壤温度

2.5小结

第三章长期不同施肥下土壤和团聚体颗粒组有机碳矿化与CH4和CO2的产生

3.1引言

3.2材料和方法

3.2.1试验地概况及供试土壤

3.2.2土壤样品的采集和处理

3.2.3土壤粒组分级

3.2.4 CH4和CO2产生的实验室培养试验

3.2.5微生物量碳测定

3.2.6土壤物理化学分析

3.2.7全球增温潜势(Global Warming Potential，简称GWP)计算

3.2.8统计分析

3.3结果分析

3.2.1团聚体的组成及其C、N含量变异

3.3.2土壤原土和粒组中总的碳矿化

3.3.3不同施肥处理下的CH4和CO2产生和GWP

3.3.4不同粒组中CH4和CO2的产生

3.4讨论

3.4.1厌氧条件下土壤碳矿化及施肥效应

3.4.2不同施肥处理下CH4和CO2产生及GWP

3.4.3不同粒组中碳矿化与温室气体产生

3.5小结

第四章长期不同施肥下水稻土CH4氧化能力及甲烷氧化菌多样性的变化

4.1引言

4.2材料和方法

4.2.1土壤的样品采集和处理

4.2.2 CH4的氧化试验

4.2.3 DNA提取与聚合酶链反应(PCR)扩增

4.2.4梯度变性凝胶电泳(DGGE)分析

4.2.5统计分析

4.3结果分析

4.3.1不同施肥处理的土壤对CH4的氧化动态

4.3.2不同施肥处理对土壤CH4氧化活性的影响

4.3.3甲烷氧化菌群落多样性变化

4.3.4施肥对甲烷氧化菌相似性的影响

4.4讨论

4.5小结

第五章长期不同施肥条件下有机碳矿化—好气培养

5.1引言

5.2材料和方法

5.2.1试验地概况

5.2.2试验设计

5.2.3土壤样品的采集和处理

5.2.4不同温度下的土壤有机碳矿化试验

5.2.5土壤易氧化态碳测定

5.2.6土壤微生物量碳测定

5.2.7土壤基本性质测定

5.3结果分析

5.3.1不同温度下土壤CO2的产生动态

5.3.2不同温度下土壤有机碳矿化与CO2产生

5.3.3不同施肥处理下土壤有机碳碳矿化及温度敏感性

5.3.4不同施肥处理下的土壤微生物商、土壤有机碳的稳定系数(kos)

5.4讨论

5.4.1施肥对土壤有机碳库的稳定性的影响

5.4.2施肥对土壤碳库温度敏感性的影响

5.4.3施肥对土壤碳矿化的影响

5.5小结

第六章长期不同施肥条件下红壤性水稻土有机碳矿化-淹水培养

6.1引言

6.2材料和方法

6.2.1试验地概况

6.2.2试验设计与土壤性质

6.2.3化学分析与微生物量碳测定

6.2.4淹水升温试验

6.2.5统计分析

6.2.6 GWP计算

6.3结果分析

6.3.1不同温度下的土壤有机碳矿化中CH4和CO2产生动态

6.3.2不同温度下土壤CH4和CO2产生量

6.3.3不同温度下土壤产生的GWP

6.3.4不同施肥处理下碳矿化对升温的响应

6.4讨论

6.4.1淹水条件下水稻土有机碳矿化特点

6.4.2淹水条件下有机碳矿化及升温敏感性

6.4.3长期不同施肥下土壤升温对温室气体的产生和GWP的影响

6.5小结

第七章全文讨论与结论

全文参考文献

攻读学位期间发表和待发表的论文

致谢