日本東北地區(qū)稻田土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解的溫度敏感性以及對(duì)水分的響應(yīng)

日本東北地區(qū)稻田土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解的溫度敏感性以及對(duì)水分的響應(yīng)全球氣候變暖是人類共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),稻田生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變暖中起著十分重要的作用。如何增強(qiáng)水稻秸稈還田的固碳能力和減少其引起甲烷（CH₄）大量排放的研究日益引起人們的廣泛關(guān)注。本文以日本山形地區(qū)稻田土壤和¹³C、¹⁵N標(biāo)記的水稻秸稈為研究對(duì)象,利用室內(nèi)好氧和厭氧培養(yǎng)試驗(yàn),模擬該地區(qū)水稻休閑期和生長(zhǎng)期間的水熱條件,研究了土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解對(duì)溫度和水分的響應(yīng)特征。此外,利用二氧化碳（CO₂）和CH₄排放量、土壤有機(jī)碳（SOC）含量變化和δ¹³C值三種方法計(jì)算了秸稈碳素在好氧和厭氧培養(yǎng)期間的分解率,用δ¹⁵N值計(jì)算了秸稈氮素在厭氧過(guò)程中的反硝化率,并探討了以上幾種方法的可信度。主要研究結(jié)果如下:1.24周好氧培養(yǎng)的結(jié)果顯示,土壤溫度和水分對(duì)土壤CO₂排放量具有顯著的促進(jìn)作用,且土壤溫度和水分之間存在顯著的正交互作用（P<0.01）。SOC含量和δ¹³C值隨培養(yǎng)時(shí)間分別表現(xiàn)出緩慢下降和上升的趨勢(shì)。溫度對(duì)稻田土壤SOC含量的下降和δ¹³C值的上升具有明顯的促進(jìn)作用。土壤水分對(duì)24周好氧培養(yǎng)期間土壤的δ¹³C值始終無(wú)顯著影響,而土壤水分對(duì)SOC含量的顯著影響只限于好氧培養(yǎng)的第12周和24周。厭氧培養(yǎng)期間,稻田土壤中CH₄和CO₂的排放量均隨前期溫度的升高而顯著降低（P<0.05）。這與易分解的底物在好氧培養(yǎng)期間,隨土壤溫度的升高而被大量消耗有關(guān)。前期好氧培養(yǎng)期間的土壤水分對(duì)CO₂的排放具有顯著的影響,而對(duì)CH₄的排放無(wú)顯著的影響,這可能與好氧培養(yǎng)期間硝態(tài)氮（NO₃^--N）的大量積累有關(guān)?！?℃的凍融過(guò)程對(duì)該地區(qū)稻田土壤CO₂和CH₄排放沒(méi)有顯著的影響。2.添加秸稈土壤SOC的好氧分解隨土壤溫度和水分的升高而顯著加快（P<0.05）。秸稈的添加極大地促進(jìn)了高溫淹水培養(yǎng)條件下土壤中CH₄的排放量,表明秸稈是稻田CH₄排放的主要來(lái)源。除L5/±5處理外,其它溫度和水分處理下,用生成CO₂的排放量所計(jì)算秸稈有機(jī)碳的溫度敏感性系數(shù)（Q10）都要比25/15℃溫度處理下的要大,表明低溫（±5℃和5℃）條件下的秸稈有機(jī)碳的分解要比高溫（15℃和25℃）條件下更敏感。隨著前期好氧培養(yǎng)階段有效底物的大量消耗,高溫淹水培養(yǎng)條件下,添加秸稈土壤CH₄和CO₂排放量隨前期好氧培養(yǎng)溫度的升高而顯著降低。這是由于前期低溫處理下大量未分解的有機(jī)底物為后期30℃高溫條件下產(chǎn)CH₄菌提供了充足的碳源和能量,后期淹水的厭氧條件使得Eh逐漸下降,也為產(chǎn)CH₄過(guò)程創(chuàng)造了有利的條件。該結(jié)果暗示在某一溫度和水分范圍內(nèi)改善水稻休閑期秸稈還田稻田中的水熱條件,可以有效減少來(lái)年水稻生長(zhǎng)期間由秸稈所引起的CH₄排放量。用SOC含量、CO₂和CH₄排放量以及δ¹³C值三種參數(shù)所計(jì)算的水稻秸稈中碳的總分解率（好氧+厭氧）的變化范圍分別為45.0%～64.2%,29.8%～48.1%和25.7%～34.4%。本研究中,由于CO₂和CH₄排放量對(duì)溫度和水分的響應(yīng)要比SOC和δ¹³C值更敏感,因而用其計(jì)算秸稈中碳的分解率的可信度最高。3.24周好氧培養(yǎng)結(jié)束后,各土壤溫度和水分處理間的稻田土壤總有機(jī)氮（TN）含量無(wú)顯著的差異。銨態(tài)氮（NH₄⁺-N）濃度隨溫度的升高和培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降低。而NO₃^--N濃度卻表現(xiàn)為隨溫度的升高和培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著上升,表明溫度顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化（P<0.05）。然而,水分對(duì)土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N濃度的變化均沒(méi)有顯著的影響。該結(jié)果表明土壤水分對(duì)土壤有機(jī)氮好氧礦化的影響不如溫度處理那樣效果明顯。這是由于本研究的好氧培養(yǎng)期間,空氣充足,土層較?。?lt;1cm）,使得土壤水分條件的改變沒(méi)有成為阻礙空氣向土壤孔隙中擴(kuò)散的限制因素。厭氧培養(yǎng)期間,±5℃和5℃下的稻田土壤有機(jī)氮的凈礦化量（NH₄⁺-N生成量）明顯比15℃和25℃條件下的要高,這可能是由于前期好氧培養(yǎng)過(guò)程中的高溫條件使NH₄⁺-N更易被微生物所固持或通過(guò)硝化作用被大量轉(zhuǎn)化成為NO₃^--N。高水分條件下（100%WFPS）的土壤有機(jī)氮的凈礦化量比低水分條件下（60%WFPS）的要小。這表明前期好氧培養(yǎng)期間的高水分處理會(huì)抑制后期厭氧培養(yǎng)過(guò)程中土壤有機(jī)氮的礦化作用。4.添加¹⁵N標(biāo)記水稻秸稈的土壤中TN含量和δ¹⁵N值隨好氧培養(yǎng)時(shí)間的變化不明顯,也不受好氧培養(yǎng)期間土壤溫度和水分的顯著影響。好氧培養(yǎng)期間,添加秸稈稻田土壤的NH₄⁺-N濃度隨溫度的升高而下降,卻隨水分的升高而增加。添加秸稈稻田土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N濃度均低于對(duì)照土壤。該結(jié)果表明秸稈的添加促進(jìn)了微生物對(duì)原有土壤礦質(zhì)氮素的固持。厭氧培養(yǎng)期間,NH₄⁺-N生成量隨前期溫度和水分的增加而顯著的升高。以上結(jié)果表明,好氧培養(yǎng)期間的增溫和增濕處理不僅可以促進(jìn)土壤微生物對(duì)添加秸稈土壤中無(wú)機(jī)氮的固持作用,同時(shí)也會(huì)促進(jìn)后期高溫淹水培養(yǎng)期間秸稈中有機(jī)氮的礦化。由于對(duì)照土樣和添加秸稈土樣在干燥過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生氨化作用造成¹⁵N和¹⁴N的分餾,因而用δ¹⁵N值來(lái)計(jì)算秸稈氮素的反硝化率會(huì)高估氮素的損失,具體原因還有更待進(jìn)一步的研究。綜上所述,本研究結(jié)果表明休閑期的土壤溫度和水分不僅會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈的好氧分解,而且還會(huì)對(duì)后續(xù)的厭氧分解產(chǎn)生很大的影響。水分對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解轉(zhuǎn)化的影