好气与淹水处理对水稻土有机碳矿化量的影响

好气与淹水处理对水稻土有机碳矿化量的影响

0驳岸法处理前后土壤有机碳矿化的变化【研究意义】水是影响土壤有机碳矿物的重要因素。正确理解不同的水条件对土壤有机碳矿化的影响机制对阐明土壤有机碳循环的性质具有重要意义。【前人研究进展】传统观点认为,淹水造成土壤局部厌氧,微生物不仅数量少而且繁殖生长速率慢,有机物质进行厌氧分解,因此其有机碳矿化速率较低。张薇等采用紫色土设置好气和淹水试验也有类似结论,好气处理下有机碳日均矿化量均显著高于淹水,累计矿化量比淹水高27.76%。但近年来一些试验结果表明并不完全如此。黄东迈等运用14C示踪技术研究发现,淹水土壤有机碳的分解速率快于旱地土壤;Bridgham等的研究则表明,淹水可使北方湿地氮、磷的矿化速率下降,但有机碳的矿化速率在淹水与非淹水处理下几乎相等;刘德燕等认为添加N、P外源物质后,淹水处理下土壤有机碳矿化量显著提高,甚至高于好气处理。【本研究切入点】不同水分状况处理对土壤有机碳矿化的影响可能会因土壤条件变化而有明显差异。土壤有机碳的矿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决定,淹水处理虽然降低了土壤中微生物的数量和活性,但同时也增加了土壤中水溶性有机碳的溶出,提高有机碳的可利用性,因此好气和淹水处理间土壤有机碳矿化量的差异可能是微生物活性与水溶性有机碳含量相互消长的结果,但目前文献中关于淹水和好气处理下有机碳矿化量差异的结论并不一致,造成这种差异变化的原因也还并不十分清楚。【拟解决的关键问题】本文选择苏南地区一个县域范围的代表性水稻土样品,通过布置好气和淹水处理的恒温培育试验,比较培养过程中好气和淹水处理间土壤有机碳矿化量差异的变化特征,分析其与活性有机碳组分含量的关系,明确不同水分状况下土壤有机碳矿化量差异的形成原因,结果可为区域农田土壤的科学管理提供参考。1材料和方法1.1稻虾共作稻麦两熟选择江苏省常熟市全市范围的代表性水稻田作为采样田块。该市位于太湖流域的东北部,北临长江,属于北亚热带湿润季风气候,全市国土面积1094hm2,土壤主要为发育于河湖相沉积物的水稻土,利用方式以稻麦两熟或双季稻为主,农业历史悠久,可考证的水稻种植已有3000多年的历史。在常熟市辖的18个乡镇,选择代表性水稻田30块,于中稻收获后,在每一块选定的田中采用多点混合法采集0—20cm耕层土壤,样品带回实验室后,挑去肉眼可见的根系和石块等土壤侵入体,然后将样品按四分法分成两份。一份在新鲜状态下迅速混匀过2mm筛,并4℃下保存,以供有机碳矿化培养试验和土壤微生物生物量、水溶性有机碳测定用;另一份自然风干磨细后供测定土壤基本理化性质用。所采30个土壤样品分属6种不同土属,分别为黄泥土6个、乌黄泥土9个、灰黄泥土3个、白土5个、乌沙土3个、乌栅土4个(表1)。1.2土壤的预处理土壤水分状况设好气(最大持水量的60%)与淹水(水土比1﹕1)2个水平。采用碱液吸收法对上述30个土壤样品布置短期(20d)有机碳矿化培育试验。称取相当于风干土50g的新鲜土壤放入750mL培养瓶底部,然后根据好气与淹水2个水平,将土壤需水量均匀加入铺于瓶底的土壤中。然后将盛有5mL0.3mol·L-1NaOH溶液的特制容量瓶小心地置于培养瓶内,将培养瓶加盖密封,在28℃的恒温培养箱中培养,每处理设3次重复。在培养开始后的第1、2、6、10、14、20天取出容量瓶,将其中的溶液完全转入三角瓶中,然后加入1mol·L-1BaCl2溶液2mL及2滴酚酞指示剂,用标准酸(H2SO4)滴定至红色消失,根据CO2的释放量计算培养期内土壤有机碳的矿化量,其中培养第1天的有机碳矿化量为土壤呼吸强度。1.3有机碳的测定土壤微生物生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸提取法,提取液中的有机碳含量用费恩法测定,全氮含量用蒸馏法测定。土壤水溶性有机碳测定采用如下步骤进行:称取一定量新鲜土壤样品按水土比2﹕1加入超纯水后振荡30min,然后在4000r/min转速下离心20min,取上清液过0.45µm醋酸纤维虑膜,滤液中有机碳用日本岛津公司(Shimadzu)生产的有机碳自动测定仪TOC5000测定。其它指标分析依照《土壤农业化学分析方法》进行。1.4数据计数采用MicrosoftExcel2003制图,相关指标的差异显著性检验及回归分析采用SPSS13.0软件进行。2结果2.1好气处理下土壤有机碳均矿量的变化不同水分状况处理下土壤有机碳的矿化过程变化趋势有明显差异。图1为好气和淹水处理下各土属的平均土壤有机碳日均矿化量随培养时间的动态变化。好气处理下,土壤有机碳日均矿化量在培养前期快速下降,培养第2天仅为第1天的52.9%—72.8%,其后下降趋缓,培养第10天后基本趋于稳定,培养结束时有机碳日均矿化量为第1天的34.2%—70.6%;淹水处理下,土壤有机碳日均矿化量在培养前期均呈快速升高趋势,培养第6天为培养第1天的2.81—4.70倍,其后趋于稳定,培养结束时有机碳日均矿化量为第1天的2.12—4.17倍。2.2良好和洪水处理中水稻有机碳的含量存在较大差异2.2.1好气与裁水处理土壤有机碳分布特征好气和淹水处理间水稻土呼吸强度,日均矿化量和累计矿化量差异因不同的土壤条件而有显著变化。总体来看,呼吸强度好气处理比淹水处理高10.76—92.50mLCO2·kg-1·d-1,好气是淹水的2.26—19.11倍,差异达到极显著水平(P<0.01);有机碳日均矿化量和累计矿化量好气处理分别比淹水处理高0.61—18.50mLCO2·kg-1和12.19—370.0mLCO2·kg-1,好气是淹水的0.96—2.41倍。图2-A显示好气与淹水处理间土壤有机碳呼吸强度、日均矿化量和累计矿化量差异值的分布特征。好气与淹水处理间土壤呼吸强度的差值主要分布在20—35mLCO2·kg-1·d-1之间,占总土壤样本数的48.3%,而差值分布在5—20和35—50mLCO2·kg-1·d-1之间的土壤样本数分别占总数的17.2%和13.8%,三者共计79.3%。好气与淹水处理间土壤有机碳日均矿化量的差值主要分布在0—3和3—6mLCO2·kg-1之间,分别占样本总数的41.4%和34.5%;而有机碳累计矿化量的差值主要分布在0—65和65—130mLCO2·kg-1之间,分别占样本总数的41.4%和37.9%。图2-B为淹水与好气处理的土壤呼吸强度、日均矿化量、累计矿化量比值的分布频率。图中显示,89.7%的土壤样品呼吸强度在淹水处理下不足好气处理的24%,其中有20.7%土壤样品不足8%。这表明,培养初期,较短时间内的土壤有机碳矿化(呼吸强度)受水分状况影响明显,而这可能主要与淹水抑制微生物活性有关。淹水与好气处理有机碳日均矿化量与累计矿化量比值主要分布在0.7—0.8、0.8—0.9、0.9—1.0之间,分别占样品总数的31.0%、27.6%、24.1%,说明培养时间较长时好气与淹水处理间有机碳日均矿化量与累计矿化量差异较小;这可能是因为培养较长时间后,不同水分状况对土壤有机碳矿化的影响除因微生物活性变化外,还与水溶性有机碳的溶出量有关。2.2.2不同土属土壤有机碳矿化量比较好气与淹水处理下不同土属土壤有机碳矿化量的差异也较明显(表2)。好气与淹水处理间土壤呼吸强度差异最大的是乌栅土,好气是淹水处理的13.77倍;差异最小的是灰黄泥土,好气是淹水处理的4.99倍,差异均达到极显著水平(P<0.01)。培养期内不同土属土壤有机碳日均矿化量好气处理比淹水处理高16.3%—61.7%,差异达显著水平(P<0.05),差异最大的仍为乌栅土,最小的为灰黄泥土。不同土属好气与淹水处理间有机碳累计矿化量差异的变化趋势为:乌栅土>乌黄泥土>白土>黄泥土>乌沙土>灰黄泥土。不同土属水稻土理化和生物学性状的差异可能是造成土壤有机碳矿化对水分状况变化响应差异的主要原因,但其响应程度还需进一步研究。2.2.3不同培养时间下土壤有机碳日矿化量的比较培养过程中好气和淹水处理间有机碳日均矿化量差异值变化反映不同培养阶段水分状况的影响程度。从图3可见,好气处理下,有机碳日均矿化量随培养时间变化符合对数函数:Y=35.72-6.81lnX,(r=0.912,n=30),式中:Y为有机碳日均矿化量,X为培养时间;淹水处理下则符合函数关系:Y=17.74-12.03/X,(r=0.966,n=30),式中:Y为有机碳日均矿化量,X为培养时间。比较表明(图3),整个培养过程中好气处理的土壤有机碳日均矿化量都高于淹水处理,但差异主要表现在培养前期,随着培养时间不断减少。培养第1天淹水处理的土壤有机碳日均矿化量仅为好气处理的12.0%,但第2天该值就增加到51.7%,到第10天时达83.0%,其后趋于稳定,培养结束时为89.9%。这表明,在较长的培养时间后,水分对有机碳矿化的影响程度逐渐减弱,好气与淹水处理下,土壤有机碳日均矿化量近似相等。统计表明,好气与淹水处理间土壤有机碳日均矿化量的差异值随培养时间变化符合幂函数关系:Y=29.81X-0.998,(r=0.988,n=6),式中:Y为有机碳日均矿化量差异值,X为培养时间。2.3不同水分处理对呼吸强度的影响土壤有机碳矿化量与土壤微生物生物量、有机碳及水溶性有机碳含量的关系因不同的水分状况处理而有显著差异(表3)。好气处理下,呼吸强度主要与微生物生物量碳、氮相关,相关系数分别为0.525和0.536,均达到极显著水平(P<0.01),而有机碳日均矿化量与累计矿化量除与微生物生物量碳、氮相关外,还与有机碳、全氮相关,且均达到极显著水平。淹水处理下,呼吸强度与微生物生物量碳、氮以及有机碳、全氮等均没有显著相关,而有机碳日均矿化量与累计矿化量除与有机碳和全氮极显著相关外,与微生物之间的相关性也较差。从表3还可以看出,好气与淹水处理间呼吸强度差异主要与微生物生物量碳、氮有关,微生物生物量碳、氮含量越高,则两种水分处理下呼吸强度差异越大;而好气与淹水处理间有机碳日均矿化量与累计矿化量差异除与微生物生物量氮极显著相关外,还受水溶性有机碳影响,即土壤微生物生物量氮和水溶性有机碳含量越高,则好气与淹水处理间有机碳日均与累计矿化量的差异就越大。这进一步说明,水分状况对土壤呼吸强度的影响主要是由于水分导致土壤微生物活性的变化所致,而较长时间的土壤有机碳矿化量差异则不仅因微生物活性而变化,还与碳源的有效供应有关。3不同培养时间对土壤有机碳矿化量的影响有机碳矿化的水分影响机制一直是有机碳转化研究的热点。传统观点认为,与好气处理相比,淹水厌氧处理下植物残体和土壤有机碳的分解矿化速率较低,因此淹水处理更有利于土壤有机碳的累积。其主要原因是(1)淹水处理下土壤微生物活性受抑,对土壤有机质矿化、利用率低;(2)淹水处理下主要以厌氧微生物为主,其最终的矿化产物不是通过三羧酸循环完全氧化成CO2,而是通过其它生化途径转化成一些小分子的有机酸、醇等;(3)淹水处理下氧化还原反应的电子受体主要是本身降解的有机物和其它物质如Fe3+、Mn4+、NO3-、SO42-等,氧化还原过程释放的能量低,因此,单位有机碳矿化所能提供给微生物合成自身细胞的能量较少。本研究结果显示,好气处理下土壤有机碳日均矿化量总体高于淹水处理,且在培养过程中一直保持这样的变化趋势,并没有出现淹水处理下有机碳矿化量高于好气处理的现象,好气处理有机碳日均矿化量与累计矿化量分别比淹水处理高0.61—18.50、12.19—370.0mLCO2·kg-1,是淹水处理的0.96—2.41倍。但从整个培养过程中好气与淹水处理间有机碳日均矿化量与累计矿化量的差值分布情况看,75.9%的土壤样品有机碳日均矿化量差值在0—6mLCO2·kg-1之间,而有79.3%的土壤样品有机碳累计矿化量差值在0—130mLCO2·kg-1之间;而从淹水与好气处理下有机碳日均矿化量与累计矿化量的比值来看,更有82.8%的土壤样品比值分布在0.7—1.0之间。这说明,在较长时间培养下,好气和淹水处理间土壤有机碳矿化量差异较小,即水分对有机碳矿化的影响程度随培养时间在不断减弱。土壤有机碳的矿化量一般随培养时间的延长而逐渐下降。本研究表明,好气处理下有机碳日均矿化量随培养时间延长不断下降,与文献中报道的结果有相同的变化规律。但淹水处理下土壤有机碳矿化量随培养时间延长却呈上升趋势,供试的所有样品表现相同,这在文献中还未见报道。文献中有机碳矿化大多采用风干样品,干土效应导致前期分解速率很快。本研究采用新鲜样品进行培养,培养过程中不同阶段好气与淹水处理间有机碳矿化量的差异与微生物及其可利用底物量的变化有关。培养前期土壤中可供微生物活动的底物丰富,因此有机碳矿化量高、低主要受微生物所决定,但淹水处理下抑制了微生物活性,因此培养前期微生物生物量碳、氮含量越高,则两种水分处理下有机碳矿化量差异越大;而在整个培养过程中随着时间的进行,好气条件下微生物可利用底物消耗,因此有机碳矿化量下降,但淹水促进了水溶性有机碳的溶出,致使土壤有机碳矿化量有所升高。好气和淹水处理下土壤有机碳矿化过程变化趋势的差异与水分状况对土壤微生物以及土壤结构等的影响有关。研究表明,淹水处理首先会造成微生物活性和群落结构的变化,但淹水也提高了土壤有机碳的溶出和导致团聚体的分散,进而增加了水溶性有机碳量。微生物是土壤有机碳矿化的直接驱动力,而水溶性有机碳是微生物矿化有机碳最容易利用的底物,因此在淹水处理下土壤有机碳矿化量的升高与否,要取决于淹水对土壤微生物和水溶性有机碳影响的相对程度而定。如果对微生物活性所产生的抑制程度大于对水溶性有机碳增加后带来的矿化量升高程度,则表现为淹水后土壤有机碳矿化量下降;但如果淹水后对土壤中微生物活性和数量影响较小,而同时淹水带来水溶性有机碳含量的显著增加,则表现为在淹水后土壤有机碳矿化量升高。从理论上推断,如果土壤肥力较高,有机质含量丰富,微生物直接利用的底物充足,微生物活动不受底物数量限制,此时淹水带来的新的水溶性有机碳含量并没有增加微生物对底物利用比例,但