好氣與淹水處理對水稻土有機碳礦化量的影響

好氣與淹水處理對水稻土有機碳礦化量的影響

0駁岸法處理前后土壤有機碳礦化的變化【研究意義】水是影響土壤有機碳礦物的重要因素。正確理解不同的水條件對土壤有機碳礦化的影響機制對闡明土壤有機碳循環(huán)的性質(zhì)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】傳統(tǒng)觀點認為,淹水造成土壤局部厭氧,微生物不僅數(shù)量少而且繁殖生長速率慢,有機物質(zhì)進行厭氧分解,因此其有機碳礦化速率較低。張薇等采用紫色土設(shè)置好氣和淹水試驗也有類似結(jié)論,好氣處理下有機碳日均礦化量均顯著高于淹水,累計礦化量比淹水高27.76%。但近年來一些試驗結(jié)果表明并不完全如此。黃東邁等運用14C示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),淹水土壤有機碳的分解速率快于旱地土壤;Bridgham等的研究則表明,淹水可使北方濕地氮、磷的礦化速率下降,但有機碳的礦化速率在淹水與非淹水處理下幾乎相等;劉德燕等認為添加N、P外源物質(zhì)后,淹水處理下土壤有機碳礦化量顯著提高,甚至高于好氣處理?！颈狙芯壳腥朦c】不同水分狀況處理對土壤有機碳礦化的影響可能會因土壤條件變化而有明顯差異。土壤有機碳的礦化主要受土壤微生物活性水平和微生物可直接利用的底物量決定,淹水處理雖然降低了土壤中微生物的數(shù)量和活性,但同時也增加了土壤中水溶性有機碳的溶出,提高有機碳的可利用性,因此好氣和淹水處理間土壤有機碳礦化量的差異可能是微生物活性與水溶性有機碳含量相互消長的結(jié)果,但目前文獻中關(guān)于淹水和好氣處理下有機碳礦化量差異的結(jié)論并不一致,造成這種差異變化的原因也還并不十分清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文選擇蘇南地區(qū)一個縣域范圍的代表性水稻土樣品,通過布置好氣和淹水處理的恒溫培育試驗,比較培養(yǎng)過程中好氣和淹水處理間土壤有機碳礦化量差異的變化特征,分析其與活性有機碳組分含量的關(guān)系,明確不同水分狀況下土壤有機碳礦化量差異的形成原因,結(jié)果可為區(qū)域農(nóng)田土壤的科學(xué)管理提供參考。1材料和方法1.1稻蝦共作稻麥兩熟選擇江蘇省常熟市全市范圍的代表性水稻田作為采樣田塊。該市位于太湖流域的東北部,北臨長江,屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,全市國土面積1094hm2,土壤主要為發(fā)育于河湖相沉積物的水稻土,利用方式以稻麥兩熟或雙季稻為主,農(nóng)業(yè)歷史悠久,可考證的水稻種植已有3000多年的歷史。在常熟市轄的18個鄉(xiāng)鎮(zhèn),選擇代表性水稻田30塊,于中稻收獲后,在每一塊選定的田中采用多點混合法采集0—20cm耕層土壤,樣品帶回實驗室后,挑去肉眼可見的根系和石塊等土壤侵入體,然后將樣品按四分法分成兩份。一份在新鮮狀態(tài)下迅速混勻過2mm篩,并4℃下保存,以供有機碳礦化培養(yǎng)試驗和土壤微生物生物量、水溶性有機碳測定用;另一份自然風(fēng)干磨細后供測定土壤基本理化性質(zhì)用。所采30個土壤樣品分屬6種不同土屬,分別為黃泥土6個、烏黃泥土9個、灰黃泥土3個、白土5個、烏沙土3個、烏柵土4個(表1)。1.2土壤的預(yù)處理土壤水分狀況設(shè)好氣(最大持水量的60%)與淹水(水土比1﹕1)2個水平。采用堿液吸收法對上述30個土壤樣品布置短期(20d)有機碳礦化培育試驗。稱取相當于風(fēng)干土50g的新鮮土壤放入750mL培養(yǎng)瓶底部,然后根據(jù)好氣與淹水2個水平,將土壤需水量均勻加入鋪于瓶底的土壤中。然后將盛有5mL0.3mol·L-1NaOH溶液的特制容量瓶小心地置于培養(yǎng)瓶內(nèi),將培養(yǎng)瓶加蓋密封,在28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每處理設(shè)3次重復(fù)。在培養(yǎng)開始后的第1、2、6、10、14、20天取出容量瓶,將其中的溶液完全轉(zhuǎn)入三角瓶中,然后加入1mol·L-1BaCl2溶液2mL及2滴酚酞指示劑,用標準酸(H2SO4)滴定至紅色消失,根據(jù)CO2的釋放量計算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化量,其中培養(yǎng)第1天的有機碳礦化量為土壤呼吸強度。1.3有機碳的測定土壤微生物生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸提取法,提取液中的有機碳含量用費恩法測定,全氮含量用蒸餾法測定。土壤水溶性有機碳測定采用如下步驟進行:稱取一定量新鮮土壤樣品按水土比2﹕1加入超純水后振蕩30min,然后在4000r/min轉(zhuǎn)速下離心20min,取上清液過0.45μm醋酸纖維慮膜,濾液中有機碳用日本島津公司(Shimadzu)生產(chǎn)的有機碳自動測定儀TOC5000測定。其它指標分析依照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進行。1.4數(shù)據(jù)計數(shù)采用MicrosoftExcel2003制圖,相關(guān)指標的差異顯著性檢驗及回歸分析采用SPSS13.0軟件進行。2結(jié)果2.1好氣處理下土壤有機碳均礦量的變化不同水分狀況處理下土壤有機碳的礦化過程變化趨勢有明顯差異。圖1為好氣和淹水處理下各土屬的平均土壤有機碳日均礦化量隨培養(yǎng)時間的動態(tài)變化。好氣處理下,土壤有機碳日均礦化量在培養(yǎng)前期快速下降,培養(yǎng)第2天僅為第1天的52.9%—72.8%,其后下降趨緩,培養(yǎng)第10天后基本趨于穩(wěn)定,培養(yǎng)結(jié)束時有機碳日均礦化量為第1天的34.2%—70.6%;淹水處理下,土壤有機碳日均礦化量在培養(yǎng)前期均呈快速升高趨勢,培養(yǎng)第6天為培養(yǎng)第1天的2.81—4.70倍,其后趨于穩(wěn)定,培養(yǎng)結(jié)束時有機碳日均礦化量為第1天的2.12—4.17倍。2.2良好和洪水處理中水稻有機碳的含量存在較大差異2.2.1好氣與裁水處理土壤有機碳分布特征好氣和淹水處理間水稻土呼吸強度,日均礦化量和累計礦化量差異因不同的土壤條件而有顯著變化。總體來看,呼吸強度好氣處理比淹水處理高10.76—92.50mLCO2·kg-1·d-1,好氣是淹水的2.26—19.11倍,差異達到極顯著水平(P<0.01);有機碳日均礦化量和累計礦化量好氣處理分別比淹水處理高0.61—18.50mLCO2·kg-1和12.19—370.0mLCO2·kg-1,好氣是淹水的0.96—2.41倍。圖2-A顯示好氣與淹水處理間土壤有機碳呼吸強度、日均礦化量和累計礦化量差異值的分布特征。好氣與淹水處理間土壤呼吸強度的差值主要分布在20—35mLCO2·kg-1·d-1之間,占總土壤樣本數(shù)的48.3%,而差值分布在5—20和35—50mLCO2·kg-1·d-1之間的土壤樣本數(shù)分別占總數(shù)的17.2%和13.8%,三者共計79.3%。好氣與淹水處理間土壤有機碳日均礦化量的差值主要分布在0—3和3—6mLCO2·kg-1之間,分別占樣本總數(shù)的41.4%和34.5%;而有機碳累計礦化量的差值主要分布在0—65和65—130mLCO2·kg-1之間,分別占樣本總數(shù)的41.4%和37.9%。圖2-B為淹水與好氣處理的土壤呼吸強度、日均礦化量、累計礦化量比值的分布頻率。圖中顯示,89.7%的土壤樣品呼吸強度在淹水處理下不足好氣處理的24%,其中有20.7%土壤樣品不足8%。這表明,培養(yǎng)初期,較短時間內(nèi)的土壤有機碳礦化(呼吸強度)受水分狀況影響明顯,而這可能主要與淹水抑制微生物活性有關(guān)。淹水與好氣處理有機碳日均礦化量與累計礦化量比值主要分布在0.7—0.8、0.8—0.9、0.9—1.0之間,分別占樣品總數(shù)的31.0%、27.6%、24.1%,說明培養(yǎng)時間較長時好氣與淹水處理間有機碳日均礦化量與累計礦化量差異較小;這可能是因為培養(yǎng)較長時間后,不同水分狀況對土壤有機碳礦化的影響除因微生物活性變化外,還與水溶性有機碳的溶出量有關(guān)。2.2.2不同土屬土壤有機碳礦化量比較好氣與淹水處理下不同土屬土壤有機碳礦化量的差異也較明顯(表2)。好氣與淹水處理間土壤呼吸強度差異最大的是烏柵土,好氣是淹水處理的13.77倍;差異最小的是灰黃泥土,好氣是淹水處理的4.99倍,差異均達到極顯著水平(P<0.01)。培養(yǎng)期內(nèi)不同土屬土壤有機碳日均礦化量好氣處理比淹水處理高16.3%—61.7%,差異達顯著水平(P<0.05),差異最大的仍為烏柵土,最小的為灰黃泥土。不同土屬好氣與淹水處理間有機碳累計礦化量差異的變化趨勢為:烏柵土>烏黃泥土>白土>黃泥土>烏沙土>灰黃泥土。不同土屬水稻土理化和生物學(xué)性狀的差異可能是造成土壤有機碳礦化對水分狀況變化響應(yīng)差異的主要原因,但其響應(yīng)程度還需進一步研究。2.2.3不同培養(yǎng)時間下土壤有機碳日礦化量的比較培養(yǎng)過程中好氣和淹水處理間有機碳日均礦化量差異值變化反映不同培養(yǎng)階段水分狀況的影響程度。從圖3可見,好氣處理下,有機碳日均礦化量隨培養(yǎng)時間變化符合對數(shù)函數(shù):Y=35.72-6.81lnX,(r=0.912,n=30),式中:Y為有機碳日均礦化量,X為培養(yǎng)時間;淹水處理下則符合函數(shù)關(guān)系:Y=17.74-12.03/X,(r=0.966,n=30),式中:Y為有機碳日均礦化量,X為培養(yǎng)時間。比較表明(圖3),整個培養(yǎng)過程中好氣處理的土壤有機碳日均礦化量都高于淹水處理,但差異主要表現(xiàn)在培養(yǎng)前期,隨著培養(yǎng)時間不斷減少。培養(yǎng)第1天淹水處理的土壤有機碳日均礦化量僅為好氣處理的12.0%,但第2天該值就增加到51.7%,到第10天時達83.0%,其后趨于穩(wěn)定,培養(yǎng)結(jié)束時為89.9%。這表明,在較長的培養(yǎng)時間后,水分對有機碳礦化的影響程度逐漸減弱,好氣與淹水處理下,土壤有機碳日均礦化量近似相等。統(tǒng)計表明,好氣與淹水處理間土壤有機碳日均礦化量的差異值隨培養(yǎng)時間變化符合冪函數(shù)關(guān)系:Y=29.81X-0.998,(r=0.988,n=6),式中:Y為有機碳日均礦化量差異值,X為培養(yǎng)時間。2.3不同水分處理對呼吸強度的影響土壤有機碳礦化量與土壤微生物生物量、有機碳及水溶性有機碳含量的關(guān)系因不同的水分狀況處理而有顯著差異(表3)。好氣處理下,呼吸強度主要與微生物生物量碳、氮相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.525和0.536,均達到極顯著水平(P<0.01),而有機碳日均礦化量與累計礦化量除與微生物生物量碳、氮相關(guān)外,還與有機碳、全氮相關(guān),且均達到極顯著水平。淹水處理下,呼吸強度與微生物生物量碳、氮以及有機碳、全氮等均沒有顯著相關(guān),而有機碳日均礦化量與累計礦化量除與有機碳和全氮極顯著相關(guān)外,與微生物之間的相關(guān)性也較差。從表3還可以看出,好氣與淹水處理間呼吸強度差異主要與微生物生物量碳、氮有關(guān),微生物生物量碳、氮含量越高,則兩種水分處理下呼吸強度差異越大;而好氣與淹水處理間有機碳日均礦化量與累計礦化量差異除與微生物生物量氮極顯著相關(guān)外,還受水溶性有機碳影響,即土壤微生物生物量氮和水溶性有機碳含量越高,則好氣與淹水處理間有機碳日均與累計礦化量的差異就越大。這進一步說明,水分狀況對土壤呼吸強度的影響主要是由于水分導(dǎo)致土壤微生物活性的變化所致,而較長時間的土壤有機碳礦化量差異則不僅因微生物活性而變化,還與碳源的有效供應(yīng)有關(guān)。3不同培養(yǎng)時間對土壤有機碳礦化量的影響有機碳礦化的水分影響機制一直是有機碳轉(zhuǎn)化研究的熱點。傳統(tǒng)觀點認為,與好氣處理相比,淹水厭氧處理下植物殘體和土壤有機碳的分解礦化速率較低,因此淹水處理更有利于土壤有機碳的累積。其主要原因是(1)淹水處理下土壤微生物活性受抑,對土壤有機質(zhì)礦化、利用率低;(2)淹水處理下主要以厭氧微生物為主,其最終的礦化產(chǎn)物不是通過三羧酸循環(huán)完全氧化成CO2,而是通過其它生化途徑轉(zhuǎn)化成一些小分子的有機酸、醇等;(3)淹水處理下氧化還原反應(yīng)的電子受體主要是本身降解的有機物和其它物質(zhì)如Fe3+、Mn4+、NO3-、SO42-等,氧化還原過程釋放的能量低,因此,單位有機碳礦化所能提供給微生物合成自身細胞的能量較少。本研究結(jié)果顯示,好氣處理下土壤有機碳日均礦化量總體高于淹水處理,且在培養(yǎng)過程中一直保持這樣的變化趨勢,并沒有出現(xiàn)淹水處理下有機碳礦化量高于好氣處理的現(xiàn)象,好氣處理有機碳日均礦化量與累計礦化量分別比淹水處理高0.61—18.50、12.19—370.0mLCO2·kg-1,是淹水處理的0.96—2.41倍。但從整個培養(yǎng)過程中好氣與淹水處理間有機碳日均礦化量與累計礦化量的差值分布情況看,75.9%的土壤樣品有機碳日均礦化量差值在0—6mLCO2·kg-1之間,而有79.3%的土壤樣品有機碳累計礦化量差值在0—130mLCO2·kg-1之間;而從淹水與好氣處理下有機碳日均礦化量與累計礦化量的比值來看,更有82.8%的土壤樣品比值分布在0.7—1.0之間。這說明,在較長時間培養(yǎng)下,好氣和淹水處理間土壤有機碳礦化量差異較小,即水分對有機碳礦化的影響程度隨培養(yǎng)時間在不斷減弱。土壤有機碳的礦化量一般隨培養(yǎng)時間的延長而逐漸下降。本研究表明,好氣處理下有機碳日均礦化量隨培養(yǎng)時間延長不斷下降,與文獻中報道的結(jié)果有相同的變化規(guī)律。但淹水處理下土壤有機碳礦化量隨培養(yǎng)時間延長卻呈上升趨勢,供試的所有樣品表現(xiàn)相同,這在文獻中還未見報道。文獻中有機碳礦化大多采用風(fēng)干樣品,干土效應(yīng)導(dǎo)致前期分解速率很快。本研究采用新鮮樣品進行培養(yǎng),培養(yǎng)過程中不同階段好氣與淹水處理間有機碳礦化量的差異與微生物及其可利用底物量的變化有關(guān)。培養(yǎng)前期土壤中可供微生物活動的底物豐富,因此有機碳礦化量高、低主要受微生物所決定,但淹水處理下抑制了微生物活性,因此培養(yǎng)前期微生物生物量碳、氮含量越高,則兩種水分處理下有機碳礦化量差異越大;而在整個培養(yǎng)過程中隨著時間的進行,好氣條件下微生物可利用底物消耗,因此有機碳礦化量下降,但淹水促進了水溶性有機碳的溶出,致使土壤有機碳礦化量有所升高。好氣和淹水處理下土壤有機碳礦化過程變化趨勢的差異與水分狀況對土壤微生物以及土壤結(jié)構(gòu)等的影響有關(guān)。研究表明,淹水處理首先會造成微生物活性和群落結(jié)構(gòu)的變化,但淹水也提高了土壤有機碳的溶出和導(dǎo)致團聚體的分散,進而增加了水溶性有機碳量。微生物是土壤有機碳礦化的直接驅(qū)動力,而水溶性有機碳是微生物礦化有機碳最容易利用的底物,因此在淹水處理下土壤有機碳礦化量的升高與否,要取決于淹水對土壤微生物和水溶性有機碳影響的相對程度而定。如果對微生物活性所產(chǎn)生的抑制程度大于對水溶性有機碳增加后帶來的礦化量升高程度,則表現(xiàn)為淹水后土壤有機碳礦化量下降;但如果淹水后對土壤中微生物活性和數(shù)量影響較小,而同時淹水帶來水溶性有機碳含量的顯著增加,則表現(xiàn)為在淹水后土壤有機碳礦化量升高。從理論上推斷,如果土壤肥力較高,有機質(zhì)含量豐富,微生物直接利用的底物充足,微生物活動不受底物數(shù)量限制,此時淹水帶來的新的水溶性有機碳含量并沒有增加微生物對底物利用比例,但