玉米秸秆及其可溶性有机质对土壤CO2与N2O排放的影响及机理

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农田土壤是温室气体的一个重要来源,如何采取更有效地农田管理措施增加土壤碳氮固存,减少温室气体排放始终是需要解决的重要问题。作物秸秆还田是农田生物资源循环利用和培肥地力的一项重要农业措施,也是土壤可溶性有机质(dissolved organic matter,DOM)的主要来源。DOM被认为是土壤微生物生长的速效基质,作为土壤中微生物活动的能量和养分供应库,参与调节着土壤碳氮过程,与土壤温室气体的产生和排放直接相关。因此,研究秸秆及其来源DOM在土壤中的转化及其去向,可为有效实施秸秆还田固碳减排的措施提供理论依据。  本研究在中国科学院禹城综合试验站进行。研究采用室内培养结合田间盆栽试验,测定分析了添加玉米秸秆及其DOM后土壤CO2与N2O的排放及其影响因素。室内培养试验共设置6种处理:(1)对照(CK);(2)玉米秸秆(S);(3)尿素(N);(4)玉米秸秆+尿素(S+N);(5)玉米秸秆来源DOM(PDOM);(6)玉米秸秆来源DOM+尿素(PDOM+N);田间盆栽试验共设置4种处理:(1)对照(CK);(2)玉米秸秆来源DOM(PDOM);(3)尿素(N);(4)玉米秸秆来源DOM+尿素(PDOM+N)。玉米秸秆用13C标记,玉米秸秆来源DOM通过浸提标记玉米秸秆获得,尿素为15N标记。研究主要结果如下:  (1)室内培养试验表明:秸秆及其DOM促进了土壤CO2的排放,而且这种促进作用显著强于尿素添加处理(P<0.05)。尿素的添加促进了秸秆及其DOM的矿化:秸秆的矿化率在单独添加秸秆处理与秸秆结合尿素共同添加处理下分别为16.4±0.2%与18.5±0.4%;秸秆来源DOM的矿化率在单独添加DOM处理与DOM结合尿素共同添加处理下分别为59±4%与97±4%。在250 d的培养过程中,秸秆及其DOM对土壤累积CO2的贡献分别为34-40%与10-13%;田间盆栽试验也表明,秸秆来源DOM比尿素更有利于促进土壤CO2排放,DOM添加引起的脉冲排放的CO2量占当季累积排放量的11-15%。在第二个小麦季,秸秆来源DOM对土壤累积CO2排放的贡献在DOM单独添加处理下为55±0.5%,在DOM与尿素共同添加处理下为46±1%。秸秆添加促进CO2排放主要是因为其提高了土壤微生物代谢熵、土壤蔗糖酶与β-葡萄糖苷酶的活性。秸秆来源DOM添加促进CO2排放主要在于其提高了微生物代谢熵与土壤脲酶的活性。  (2)秸秆及其DOM添加对土壤激发动态的影响与其所处的分解阶段有关。秸秆对土壤激发效应的影响可分为三个阶段:前期负激发效应(0-7d),中期正激发效应(7-65d),后期又转变为负激发效应;DOM添加则表现为:前期负激发效应,中后期正激发效应。尿素添加对土壤激发效应的影响与秸秆及其DOM添加不同,表现为前期正激发效应(0-65d),后期负激发效应。土壤激发动态受秸秆、DOM及其与尿素交互作用的影响。不同处理下,影响激发效应动态变化的因素有所不同:在秸秆单独添加处理下,其主要与微生物代谢熵和土壤NO3--N含量有关;秸秆与尿素共同添加处理下与土壤蔗糖酶活性有关;DOM单独添加处理下与微生物代谢熵和土壤脲酶活性有关;尿素单独添加处理或是尿素与DOM共同添加处理下与土壤蔗糖酶和脲酶活性有关。  (3)秸秆、秸秆来源DOM以及尿素对原有土壤有机碳分解影响的净效应取决于正负激发效应之和。室内培养试验表明:单独添加秸秆或DOM对原有土壤有机碳的分解无显著影响(P>0.05)。但是同时结合添加尿素则对原有有机碳的分解有显著的抑制或促进作用。秸秆与尿素共同添加减缓了原有土壤有机碳的分解,该处理下单位秸秆碳矿化减少的土壤有机碳分解为0.21±0.06。DOM与尿素共同添加促进了原有土壤有机碳的分解,该处理下单位DOM-C矿化增加的土壤有机碳矿化为0.49±0.26。DOM与尿素共同添加或是尿素单独添加均导致土壤有机碳的净损失,其碳损失量分别为34±31与63±4mgCkg-1,不利于土壤碳的积累。田间盆栽试验也表明,DOM与尿素共同添加或是尿素单独添加均促进了原有土壤有机碳的分解,但是与室内培养试验不同的是在盆栽试验中单独添加DOM也促进了原有土壤有机碳的分解。在DOM单独添加处理与DOM结合尿素共同添加处理下,单位DOM-C矿化增加的土壤有机碳矿化分别为0.25±0.05与0.45±0.07。  (4)秸秆及其DOM比尿素更有利于促进土壤N2O排放。田间条件下,DOM添加引起的脉冲N2O排放量占当季土壤累积N2O排放量的32-46%。与秸秆相比,秸秆来源DOM添加对N2O排放的促进作用持续时间较短。虽然秸秆单独添加导致土壤微生物氮固持,但是这并未减少土壤N2O的排放。秸秆添加处理促进土壤N2O的排放主要是因为其提高了土壤DOC含量、土壤微生物代谢熵以及蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性,这四个指标可以解释土壤累积N2O排放量变异的90%。秸秆来源DOM添加促进土壤N2O排放主要在于其提高了土壤微生物代谢熵与土壤脲酶活性,二者可以解释其变异的83%。
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