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植物物料在南方典型水稻土中的碳矿化特征及其微生物影响机制研究

苏朋  
【摘要】:作为陆地生态系统中最大的有机碳库,土壤中极小的变动就能引起大气CO2浓度较大的波动,在全球碳循环中起着举足轻重的作用。土壤碳库的动态平衡也影响肥力,决定土壤质量和作物产量。因此,保护和提升土壤有机碳不仅能够影响全球气候变化,而且对我国农业的可持续发展、粮食安全都意义深远。植物物料还田是重要的固C措施之一,长期以来广为提倡。为了更好地理解土壤有机碳的累积过程和分解过程中对各种因素的响应及机理,本文选取华中双季稻区黄泥田为供试土壤,添加秸秆进行培养试验,研究体系在一系列非生物与生物因素条件下总有机碳与土壤碳矿化特征及其微生物响应,主要研究成果如下:(1)模拟早稻和晚稻秸秆还田的田间环境,开展了两种温度环境(15℃/35℃),不同水分(40%和100%田间持水量,40%WHC/100%WHC),配施氮肥类型(尿素,U/猪粪,M)对碳氮转化影响的研究。结果表明,土壤水分含量对碳转化影响最大,其次是氮肥,但其影响随着时间延长而减退;整个培养周期两种温度环境中,各处理CO2释放速率和释放总量通常表现为100%WHC-M 100%WHC-U 40%WHC-M 40%WHC-U。且总有机碳含量和净增量在35℃-100%WHC-U最小而15。C-40%WHC-M处理中最大(P0.01)。0-7d,0-28 d,0-105 d内依照CO2释放计算的物料分解比例在35。C-100%WHC-U处理中最大而15℃-40% WHC-M最小。处理100% WHC-U的硝化量大于100% WHC-M,且40%WHC条件下所有处理硝化量极小。土壤微生物适应温度以利于氮矿化,碳氮矿化的大小很大程度上取决于水分和氮素的有效性。(2)通过土壤中秸秆分解过程,评价了微生物腐解菌剂对碳氮矿化的影响,菌剂(尤其真菌)在调控土壤有机碳矿化过程中会适应土壤环境和氮肥状况,在此过程中土壤水势对调控底物和营养的可利用性起到了重要的作用。分别在15℃-70%,25℃-4O%,25℃-70%,25℃-100%及35℃-70%WHC的条件下接种菌剂培养105天。发现25℃-70%WHC,25℃-100%WHC和35℃-70%WHC处理的CO2产量显著高于其它处理,25℃-40%WHC处理CO2产量最低,提升作用在添加粪肥处理较添加尿素处理更为明显(P0.05)。接种菌剂普遍增加碳分解,25℃-70%WHC,25。C-100%WHC和35℃-70%WHC处理的培养初期28天增量最显著;只有25。C-40%WHC处理起到了固定碳的作用。CO2的释放速率与DOC呈正比,但在不同处理中的比例不同。添加粪肥处理的氮量(N03-,NH4+)显著少于添加尿素处理,尽量两者氮添加量一致。25。C-40%WHC处理对土壤pH改变量最小,可能是由于相对较低的水分含量导致的硝化作用减弱。(3)研究玉米原料及其生物质炭添加到土壤后导致的激发效应变化以及微生物群落结构上的变化。采用同位素技术在180天培养周期内观测CO2变化,通过第二代测序方法鉴定其微生物学响应。玉米原料的添加导致土壤产生1999mg C kg-1(+253.7%)正激发,同时生物质炭添加导致土壤碳矿化速率减缓,产生-872.1 mg Ckg-1(-254.3%)负激发。土壤碳矿化与植物物料矿化之间具有相关性,且大部分激发产生于前15天,证实发生了共代谢效应。产生不同的激发效应主要归因于添加原料与生物质炭之间性质的差异,尤其溶解性有机碳方面。分解过程中主导性的微生物包括Acidobacteria, Actinobacteria, Gemmatimonadetes, Chloroflexi, Firmicute, Planctomycetes, Proteobacteria, Verrucomicrobia, Ascomycota, Basidiomycota, Blastocladiomycota, Chytridiomycota, Zygomycota, Euryarchaeota及Thaumarchaeota。聚类分析显示生物质炭和原料引起了不同的系统分组。细菌Acidobacteria, Firmicute, Gemmatimonadetes, Planctomycetes,真菌Ascomycota,古菌Euryarchaeota与土壤激发碳有强相关性(R2=-0.98,-0.99,0.84,0.81,0.91和0.91)。玉米物料中的易分解有机碳改变微生物群落组成上的响应,引起不同的土壤有机碳激发效应,证实了微生物驱动土壤激发效应的重要功能作用。(4)玉米秸秆原料或其生物质炭与根分泌物(多次或单次)添加到土壤后构成植物物料-土壤-根分泌物三种C源的体系,借助步进迭代的方法计算对土壤有机碳各种形态变化的影响,多次添加引起的丰度值变化有跳跃而单次添加的较为和缓,并且添加玉米原料的两个处理CO2丰度值随着培养的进行有富集趋势。第80 d与第40 d相比,物料来源的生物量C下降到0.34与3.62 mg C kg-1的水平,其中玉米原料带来的下降幅度大于生物质炭。激发效应的交互作用大多表现为负向,尤其发生在多次添加条件下的每次输入时,表明二者相互作用限制来自土壤的CO2释放。添加玉米原料与生物质炭之间有明显差异的交互作用,这可能是因为在有效C、养分及结构方面的差异。该方法能很好地区分和窄化土壤来源碳取值的范围,尽管在外源碳之间极有可能存在着相互作用。


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