控制條件下水肥耦合對(duì)黃泥田還田秸稈腐解及土壤碳轉(zhuǎn)化的影響

蘇 朋, 傅 昱, 何 艷, 徐建明, 吳建軍, 吳良?xì)g

(浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省亞熱帶土壤與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310058)

控制條件下水肥耦合對(duì)黃泥田還田秸稈腐解及土壤碳轉(zhuǎn)化的影響

蘇 朋, 傅 昱, 何 艷*, 徐建明, 吳建軍, 吳良?xì)g

(浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省亞熱帶土壤與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310058)

【目的】研究秸稈還田后不同水溫和肥劑管理措施下土壤碳素轉(zhuǎn)化特征?！痉椒ā恳匀A中雙季稻區(qū)低產(chǎn)水稻土黃泥田為供試材料，模擬早稻和晚稻秸稈還田的田間環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室控制條件下，開展了兩種溫度環(huán)境中(15℃、35℃)不同水分(40%和100%最大田間持水量，即40%WHC、100%WHC)、配施氮肥類型(尿素、豬糞即U、M)、以及促腐菌劑添加對(duì)秸稈腐解效果及其過程中土壤碳素轉(zhuǎn)化影響的研究。對(duì)水稻秸稈腐解過程中土壤CO2釋放量、以及土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)和總有機(jī)碳(TOC)含量在105天培養(yǎng)周期內(nèi)變化特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析?！窘Y(jié)果】 兩種溫度環(huán)境中整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，各處理的CO2釋放速率和釋放總量通常表現(xiàn)為100%WHC-M > 100%WHC-U > 40%WHC-M > 40%WHC-U，即豬糞優(yōu)于尿素的規(guī)律，而不論配施何種氮肥都存在100%WHC > 40%WHC (P<0.01)的現(xiàn)象，同時(shí)40%WHC條件下輔施菌劑可顯著提升CO2釋放量；與此相反，兩種溫度環(huán)境下DOC含量都表現(xiàn)為40%WHC-M > 40%WHC-U >100%WHC-M > 100%WHC-U(后兩者差異小)，即40%WHC條件下DOC含量顯著高于100%WHC(P<0.05)，且配施豬糞處理優(yōu)于配施尿素處理，但這兩種氮肥處理間差異隨培養(yǎng)時(shí)間延長而減小；以CO2-C釋放量計(jì)算0_7 d、0_28 d、0_105 d內(nèi)物料分解率，結(jié)果表明，35℃時(shí)100%WHC-U的處理中物料分解最快，15℃時(shí)40%WHC-M的處理中物料分解最慢。與之對(duì)應(yīng)，105 d內(nèi)TOC含量和凈增量則在35℃時(shí)100%WHC-U的處理中最小(P<0.01)，而在15℃時(shí)40%WHC-M的處理中最大(P<0.01)；TOC的凈增量和凈損失量在相同溫度條件下，尤其試驗(yàn)前期不同水分(P<0.01)、氮素(P<0.05)間均存在顯著差異，且促腐菌劑添加普遍減小TOC含量；培養(yǎng)周期內(nèi)所有處理的CO2釋放速率與DOC含量間存在顯著相關(guān)(P<0.05)?！窘Y(jié)論】水分狀況對(duì)碳素的轉(zhuǎn)化存在極大影響，其次是氮肥類型，且氮肥的影響作用隨秸稈還田時(shí)間的延長而減弱；高濕條件更利于促進(jìn)秸稈腐解，但導(dǎo)致土壤DOC含量較低，TOC的固持量也較少，而配施豬糞則可促進(jìn)土壤DOC含量的提升及TOC的固持；促腐菌劑添加可促進(jìn)秸稈腐解，但由于40%WHC條件下顯著激發(fā)了CO2的釋放而不利于土壤固碳。因此在華中低產(chǎn)黃泥田雙季輪作稻區(qū)，早稻還田時(shí)由于氣溫高周期短，建議保持100%WHC、輔施適量尿素、并配合添加秸稈腐解菌劑，側(cè)重秸稈快腐；而晚稻還田時(shí)氣溫低周期長，建議保持40%WHC并輔施緩效豬糞，側(cè)重土壤固碳。

碳素轉(zhuǎn)化； 水溫肥劑耦合管理； 秸稈快腐； 低產(chǎn)水稻土； 培肥； 固碳

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間第二大碳(C)通量，能達(dá)到C 68 _ 80 Pg/year[1]，而每年10%左右的土壤碳以CO2形式進(jìn)入大氣。有機(jī)質(zhì)是改善土壤理化、生物性狀的物質(zhì)基礎(chǔ)，若有機(jī)碳?xì)w還不足易導(dǎo)致土壤肥力衰退[2]。作物秸稈可作為豐富的有機(jī)質(zhì)資源還田，增加土壤有機(jī)碳和緩解土壤養(yǎng)分流失[3-4]，提高微生物碳氮固持和供給，其殘?bào)w的分解過程也是影響土壤碳轉(zhuǎn)化的因素之一。多數(shù)秸稈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，短期內(nèi)不易自然腐解[3]，因此需要技術(shù)手段加快腐解過程[5]；同時(shí)，微生物易與作物競(jìng)爭(zhēng)氮素，還田時(shí)補(bǔ)充氮肥和水分可解決這一問題[6]。但對(duì)部分低產(chǎn)水稻土如華中雙季稻區(qū)黃泥田，在不同環(huán)境、時(shí)令下因地制宜地開展早晚稻稻稈還田，加快秸稈熟化并培肥土壤方面仍缺乏報(bào)道，這對(duì)保障國家糧食安全、提升農(nóng)田可持續(xù)利用意義重大。

作為重要土壤培肥措施，秸稈碳在土壤中腐解速率、過程受到多種因素影響，如土壤理化性質(zhì)[7-10]、秸稈性質(zhì)[5]、農(nóng)業(yè)耕作措施[3, 11]、施用方式[3, 12-14]、環(huán)境因子[15]和研究條件[8, 15]等。溫度、水分含量是影響土壤碳轉(zhuǎn)化[3, 15-16]的重要因素，如溫度升高被認(rèn)為會(huì)加速礦質(zhì)土壤有機(jī)碳分解[15, 17]，但也有研究者發(fā)現(xiàn)，碳分解速率在全球維度內(nèi)年均溫梯度變化條件下的各采樣點(diǎn)存在恒定值[18]。另外，水分差異會(huì)影響水稻土有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化，最終導(dǎo)致碳累積礦化量差異[19]；干濕交替影響土壤通氣并產(chǎn)生好氧厭氧交替狀況，形成更豐富的微生物多樣性[16]。同時(shí)秸稈進(jìn)入土壤也會(huì)引起碳氮比例失調(diào)[4]、耕作困難等問題，配施氮肥并適當(dāng)施用微生物促腐菌劑可緩解爭(zhēng)氮和加快腐解。已有研究表明秸稈配施化肥調(diào)節(jié)C/N 比例并施用促腐菌劑后土壤微生物量C、N顯著增加[2]，但不同形態(tài)氮素對(duì)該過程的影響還鮮見報(bào)道。夏季早稻和冬季晚稻的秸稈在還田時(shí)環(huán)境溫度存在較大差異，在不同還田時(shí)期，如何通過調(diào)控土壤水分狀況和輔施氮肥以實(shí)現(xiàn)雙季稻區(qū)還田秸稈的快速腐解，以及這些田間管理措施如何影響土壤中碳素的轉(zhuǎn)化，對(duì)低產(chǎn)土壤培肥固碳的效果如何仍有待研究。

因此，本研究針對(duì)浙江低產(chǎn)黃泥田雙季輪作稻區(qū)實(shí)際情況，模擬田間夏季早稻和冬季晚稻還田時(shí)的環(huán)境溫度，選取水稻秸稈為材料在實(shí)驗(yàn)室控制條件下進(jìn)行了培養(yǎng)試驗(yàn)，探討秸稈施入黃泥田后兩種溫度環(huán)境中不同土壤水分含量、不同氮肥類型、以及微生物促腐菌劑添加對(duì)秸稈腐解過程中土壤碳素轉(zhuǎn)化的影響，旨在了解非植稻季節(jié)秸稈還田后不同水溫和肥劑管理措施下土壤中碳素的轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)還田秸稈快速腐解的同時(shí)，又確保最大化土壤培肥固碳的雙效目標(biāo)，為制定低產(chǎn)水稻土持續(xù)利用的田間優(yōu)化管理策略提供科學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤選取低產(chǎn)水稻土黃泥田為代表，采自浙江省金華市婺城區(qū)瑯琊鎮(zhèn)新朱村。土壤樣品為稻區(qū)田塊0—20 cm耕層混合樣品，去石子、根系等雜物后風(fēng)干，過2 mm篩備用。土壤有機(jī)質(zhì)含量為11.0 g/kg，pH 5.45，取樣時(shí)田間持水量(water holding capacity，WHC)為30.4%。植物材料選取當(dāng)?shù)厍凹舅窘斩挒樵囼?yàn)材料，60℃烘48小時(shí)、粉碎并過60目篩備用。秸稈促腐微生物菌劑為湖北農(nóng)科院植保土肥研究所研制的秸稈快速腐熟菌劑(專利號(hào)： 201010228347)[20]，以熱帶假絲酵母、米曲霉、綠色木霉菌、枯草芽孢桿菌等為活性成分，總有效菌活數(shù)>0.5×109No./g。秸稈腐解過程中，同時(shí)選取尿素和豬糞作為輔施氮肥，用于調(diào)節(jié)C/N條件至適宜微生物發(fā)揮作用的25 ∶1[5]。水稻秸稈總C和總N含量分別為44.8%和0.72%，豬糞的總C和總N含量分別為34.3%和2.01%，尿素含N量46.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室控制條件下采用常規(guī)培養(yǎng)方法進(jìn)行[21]。稱取相當(dāng)于50 g烘干土重的經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)的土壤樣品，放入塑料封口袋中，每公斤土加入秸稈15 g，每公斤秸稈加入腐解菌劑0.5 g，用尿素(U)或豬糞(M)調(diào)節(jié)C/N至25 ∶1，添加量以尿素和豬糞材料的含氮量作為計(jì)算依據(jù)?；靹虿⒎謩e調(diào)節(jié)至最大田間持水量的40%和100%后培養(yǎng)105天，培養(yǎng)溫度模擬雙季稻區(qū)稻桿還田的田間實(shí)際溫度，分別設(shè)定為15℃和35℃。塑料袋封閉并保留小口以保證氣體交換及減少水分散失，同時(shí)以不加菌劑作為空白對(duì)照，所有處理重復(fù)3次。試驗(yàn)所用土樣需在25℃恒溫箱中黑暗條件下好氧預(yù)培養(yǎng)7天，用來恢復(fù)土壤微生物活性。試驗(yàn)過程中每隔3天采用稱重法調(diào)節(jié)土壤含水量。本試驗(yàn)共16個(gè)處理，包括溫度條件(15℃、35℃)、水分條件(40%WHC、100%WHC)、氮素類型(U、M)和微生物腐解菌劑添加與否(+、-)四個(gè)因素，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。

培養(yǎng)試驗(yàn)開始后，分別于第0、1、3、7、15、30、60、105 d破壞性采樣測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)，第0、30、105 d破壞性采樣測(cè)定土壤總有機(jī)碳(TOC)含量。與上述處理相同，以密閉好氧培養(yǎng)(NaOH吸收)氣室法開展呼吸培養(yǎng)試驗(yàn)，并分別在第1、3、5、7、10、13、17、22、28、38、53、74、105 d置換CO2吸收液，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)秸稈分解過程中CO2釋放速率及累積釋放量。

1.3 測(cè)定方法

植物秸稈中碳和氮含量的測(cè)定同土壤中有機(jī)碳和氮的測(cè)定方法，分別采用高錳酸鉀-硫酸外加熱法和全自動(dòng)凱氏定氮法。可溶性有機(jī)碳采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提(土水比1 ∶5)，往復(fù)震蕩儀上振蕩30 min，爾后4000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜后用總有機(jī)碳/總氮分析儀(Multi N/C 3100, Analytic Jena, 德國)測(cè)定。呼吸試驗(yàn)中，CO2吸收液用1 mol/L 的BaCl2溶液沉淀后，采用0.5 mol/L 標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定。

1.4 數(shù)據(jù)分析及繪圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003處理；各處理間的差異性和相關(guān)性分析分別采用SPSS 16.0軟件的t檢驗(yàn)(Student′sttest)和皮爾遜雙尾相關(guān)性分析(Pearson 2-tails test of significance)進(jìn)行；圖形制作采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈分解過程中CO2-C的釋放動(dòng)態(tài)

添加稻稈使CO2釋放速率迅速增加并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值： 15℃條件下在培養(yǎng)第5 _ 7 d達(dá)到峰值，35℃條件下幾乎僅培養(yǎng)1 d就顯現(xiàn)了最大釋放速率；相同溫度條件下，100%WHC條件下釋放速率最大值也較大(圖1上)。達(dá)到峰值后，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長CO2釋放速率快速下降，至第28 d時(shí)多數(shù)處理已降至相當(dāng)?shù)退?。整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，CO2釋放速率都存在100%WHC > 40%WHC的規(guī)律，尤其在培養(yǎng)53 d內(nèi)這種差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；相同水、溫條件下(尤其是水分)，培養(yǎng)7 d后，豬糞處理中釋放的CO2顯著高于尿素處理。添加秸稈促腐菌劑的處理中CO2釋放速率平均要優(yōu)于不加菌劑處理。

圖1(下)為水稻秸稈添加后黃泥田中CO2累積釋放量的動(dòng)態(tài)變化特征。以CO2累積釋放量表征的土壤累積呼吸量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)均呈現(xiàn)100%WHC>40%WHC的規(guī)律，且兩水分處理間的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；不論何種氮素添加，低水分含量環(huán)境中土壤CO2釋放量相對(duì)較少，而若在這些處理中添加微生物促腐菌劑，均能顯著提高CO2釋放總量(P<0.01)。同時(shí)，35℃處理中的土壤累積呼吸量在各取樣期均比15℃處理更大(P<0.01)，28 _ 38 d內(nèi)輔施菌劑對(duì)CO2的累積釋放也會(huì)有顯著提升作用?？偟膩碚f，至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，不同處理間CO2累積釋放量的動(dòng)態(tài)變化大致呈現(xiàn)的一致趨勢(shì)為： 高溫、高濕及豬糞添加情況下可促進(jìn)秸稈腐解，從而釋放較多CO2(如35℃條件下100%WHC-M+與100%WHC-M的兩個(gè)處理)。若以CO2釋放量占總外源投加碳量的百分比進(jìn)行計(jì)算，各處理在培養(yǎng)的第7、28和105 d內(nèi)以CO2釋放形式分解的所添加總碳量的變幅分別為1.06%_20.7%、2.97%_38.4%和6.58%_55.9%，其中顯現(xiàn)最大分解率的處理為35℃、100%WHC條件下施用尿素的處理，而顯現(xiàn)最小分解率的處理為15℃、40%WHC條件下不加菌劑的兩種氮肥處理(表1)。 若將整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)(105 d)的累積釋放CO2量作為100%計(jì)算，則培養(yǎng)的前7 d和28 d所釋放的CO2量分別即可達(dá)到9.96%_39.0%和28.0%_71.6%，兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)以35℃下100%WHC-U+處理中最大，15℃下40%WHC-M處理中最小(表1)。

注(Note): WHC—田間最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+—尿素和菌劑都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加豬糞 Adding manure；M+—豬糞、菌劑同時(shí)添加 Adding both manure and inoculation. 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05) Values followed by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

2.2 秸稈分解過程中DOC含量的動(dòng)態(tài)變化

在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，土壤中DOC的最大含量基本上出現(xiàn)在培養(yǎng)初期，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而降低，培養(yǎng)15 d內(nèi)，相同水分條件下，各處理間DOC含量的變化趨勢(shì)相似。在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，35℃處理下土壤中DOC含量普遍低于15℃處理(圖2)，培養(yǎng)0、1、3、7和60 d時(shí)差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。與加入尿素相比，加入豬糞土壤DOC含量更高，兩者差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，但差異由培養(yǎng)初期的60 mg/kg逐漸降到培養(yǎng)末期的30 mg/kg左右。兩個(gè)培養(yǎng)溫度下，整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)40%WHC處理中土壤DOC均顯著高于100%WHC處理(P<0.05)。添加菌劑與否對(duì)土壤中DOC的含量變化無實(shí)質(zhì)影響。綜合土壤濕度、培養(yǎng)溫度、氮素來源和添加菌劑因素，高溫培養(yǎng)土壤DOC含量較低，添加尿素和高濕土壤條件下，土壤中DOC的含量會(huì)更低。

2.3 秸稈分解過程中總有機(jī)碳(TOC)的動(dòng)態(tài)變化

分別于培養(yǎng)第0、30 和105 d采樣測(cè)定秸稈分解過程中土壤TOC含量(表2)，各試驗(yàn)處理土壤TOC含量隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而漸少，但在采樣的三個(gè)時(shí)期均遠(yuǎn)大于初始水平(11.0 g/kg)。三個(gè)時(shí)期取樣測(cè)定結(jié)果，最大值均出現(xiàn)在15℃、40%WHC條件下施用豬糞的處理中，最小值則在35℃、100%WHC條件下施用尿素的處理中(P<0.05)。

105 d時(shí)各試驗(yàn)處理?xiàng)l件下土壤TOC的凈增量如圖3所示，無論添加尿素還是豬糞，35℃、100%WHC條件下土壤TOC凈增量最小(P<0.01)。豬糞處理土壤TOC凈增量高于尿素處理，添加菌劑后，土壤TOC凈增量均減小。

注(Note): WHC—田間最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+ —尿素和菌劑都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加豬糞 Adding manure；M+—豬糞、菌劑同時(shí)添加 Adding both manure and inoculation. 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05) Values followewd by different letters in the same column are significantly different at 0.05 level.

計(jì)算加入物料后0_30 d、30_105 d和0_105 d有機(jī)碳的凈損失量(NET0-30、NET30-105及NET0-105)可知，秸稈促腐菌劑加入量對(duì)土壤TOC的凈增量與凈損失量影響差異不顯著。不同溫度處理和不同水分處理在分解前期(0_30 d)和后期(30_105 d)差異均顯著，但整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)(0_105 d)差異不顯著。不同氮源間在前期(0_30 d)顯著，但后期(30_105 d)差異不顯著，但整個(gè)周期內(nèi)依然顯著(表3)。TOC凈增值和凈損失量在不同水分及氮素處理間也存在差異，特別是不同水分處理的差異在各時(shí)段均達(dá)到顯著水平。

注(Note): S30、S105分別指土壤有機(jī)碳在30及105 d后的凈增量Net increment of TOC after 30 and 105 d of incubation; NET0-30、NET30-105、NET0-105分別指物料加入后土壤TOC在0_30、30_105 d 以及整個(gè)培養(yǎng)周期(0_105 d)內(nèi)的凈損失量Net loss of TOC within incubation period of 0-30, 30-105 and 0-105 d;n=48；*—P<0.05；**—P<0.01.

3 討論

土壤微生物在有機(jī)質(zhì)分解中起主導(dǎo)作用[7]，秸稈還田后腐解過程很大程度是微生物作用下的生物化學(xué)過程。土壤呼吸速率與溫度間的相關(guān)關(guān)系(R2= 0.308**)證實(shí)，高溫易激發(fā)高CO2釋放速率[9]，溫度主要影響微生物細(xì)胞的物理反應(yīng)及生物化學(xué)反應(yīng)速率[15]。有研究將土壤在一天內(nèi)的CO2排放速率與氣溫進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)CO2排放速率以拋物線形式響應(yīng)氣溫變化，擬合效果達(dá)到顯著相關(guān)水平[22]。同時(shí)，微生物活性與土壤水分狀態(tài)關(guān)系緊密[8-9]，且本試驗(yàn)呼吸速率、呼吸總量與水分也存在很好相關(guān)性(R2= 0.469**,R2= 0.787**)。有研究表明土壤水分含量在60%_80%WHC時(shí)，有機(jī)質(zhì)礦化作用最強(qiáng)烈[19]；干濕交替影響土壤通氣并產(chǎn)生好氧厭氧交替狀況，形成更豐富微生物多樣性[16]。若土壤水分含量較低，可導(dǎo)致土著微生物活性較低，進(jìn)而導(dǎo)致秸稈在田間的腐解進(jìn)程和培肥效果受到抑制，這與本試驗(yàn)中40%WHC條件下的變化一致： 同水分條件下，豬糞易釋放出較多CO2，而40%WHC條件下配施豬糞處理中釋放的CO2比100%WHC條件下配施尿素的處理少，說明是低水分含量而不是氮素種類限制了微生物的代謝。100%WHC條件下配施豬糞處理在培養(yǎng)末期顯現(xiàn)了最大CO2釋放量，這或許與豬糞中氮被緩慢利用有關(guān)。

徐明崗等[23]認(rèn)為土壤活性有機(jī)C、微生物量C和DOC與TOC相比可以更客觀地反映土壤質(zhì)量和土壤肥力狀況。土壤中的DOC是有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動(dòng)的中間產(chǎn)物，是土壤有機(jī)碳庫中最活躍的組分之一，與土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳的遷移、固持和CO2的釋放有密切聯(lián)系[24,26]。本試驗(yàn)中，DOC釋放的變化規(guī)律與之前的報(bào)道相似[24-27]。隨著培養(yǎng)試驗(yàn)的延長，本試驗(yàn)土壤中DOC含量顯著降低，這與趙滿興等人對(duì)不同地域農(nóng)田和林地土壤好氣培養(yǎng)的研究結(jié)果一致[26]，原因是培養(yǎng)起始階段微生物的大量繁殖消耗。尿素處理DOC要比豬糞處理減少得快，可能是豬糞初期帶來更多豐富的水溶性有機(jī)碳(對(duì)應(yīng)處理有較大的初始值)；尿素能為腐解菌群短時(shí)間內(nèi)利用生物有效性碳提供更多容易利用的氮素。同時(shí)，尿素處理和豬糞處理之間的差異隨時(shí)間延長而減小，說明氮素種類對(duì)DOC的影響逐漸減弱。本試驗(yàn)中，40%WHC條件下DOC含量顯著高于100%WHC條件下，或許說明40%WHC條件下DOC未被大量利用，低土壤水分成為微生物活動(dòng)限制因子，這與上述對(duì)CO2分解釋放的影響相似。水分對(duì)代謝活動(dòng)至關(guān)重要，但也有研究報(bào)道DOC濃度與培養(yǎng)溫度或土壤水分含量等并不相關(guān)[28]。

秸稈促腐處理可利用腐解菌劑中富含的功能微生物，利用秸稈中的碳源大量進(jìn)行自身繁殖[2]，增加土壤微生物群落的功能多樣性和活性，加快還田秸稈腐解進(jìn)程。本試驗(yàn)結(jié)果表明，外源秸稈促腐菌劑的添加確實(shí)激發(fā)了土壤呼吸作用，提高了秸稈腐解及其過程中的CO2釋放，且這種提升作用在低水分環(huán)境中更為顯著，如15℃、40%WHC條件下不論施用何種氮肥，釋放速率都顯著提升(圖1)，同時(shí)各時(shí)間點(diǎn)40%WHC條件下所有處理CO2釋放量占碳總投入量的比例也顯著提升(表1)。不論哪種氮肥，添加菌劑使15℃和35℃時(shí)40%WHC條件下所有處理的CO2釋放量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，尤其前28 d顯著升高(P<0.05)，這也是外源有機(jī)物料施入土壤后環(huán)境因子對(duì)外源有機(jī)C影響最大的前期快速分解階段[14,29]。100%WHC條件下僅在15℃施用尿素時(shí)促腐菌劑作用才得到顯著發(fā)揮，其他處理的提升效果均不顯著。而秸稈促腐菌劑對(duì)于TOC的各變化量，如S30、S105、NET0-30、NET30-105和NET0-105等的影響卻幾乎檢測(cè)不到顯著性。因此，土壤有機(jī)碳含量值只是礦化分解和合成固定之間動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，不能很好地反映土壤有機(jī)碳的質(zhì)量。但本試驗(yàn)證實(shí)，秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的恢復(fù)與累積有正面效應(yīng)，這應(yīng)得益于水稻土本身團(tuán)聚體發(fā)育形成對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)以及微生物對(duì)碳的低利用率[22]。試驗(yàn)中較高的溫度、水分條件、合適的氮源以及微生物引入導(dǎo)致土壤TOC消耗。培養(yǎng)末期(105 d)各處理，尤其35℃、100%WHC條件下TOC含量相當(dāng)(表2)，表明在一個(gè)較長的周期內(nèi)，氮素來源的影響不明顯(表3，NET30-105)，時(shí)間可能是控制土壤TOC的唯一因素[29]。

一般認(rèn)為秸稈分解初期釋放CO2，從而大量損耗碳；之后微生物繁殖開始利用秸稈中含碳組分作碳源，引發(fā)分解強(qiáng)降解能力微生物的發(fā)育[5]；后期殘?bào)w只剩下木質(zhì)素等難分解化合物。所以碳循環(huán)是動(dòng)態(tài)的，在土壤中既有分解又有合成[5]。圖4顯示了整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)秸稈碳素在不同處理下的分配比例。以CO2形式釋放與TOC形式固存的兩種碳量之和在35℃時(shí)相近，但在兩水分水平上表現(xiàn)相反，40%WHC傾向固定為TOC而100%WHC為更多CO2釋放；35℃、40%WHC與15℃、100%WHC相比CO2釋放更少，TOC固定更多，說明分解過程中水分應(yīng)起到的作用更大，與前面圖1和表3中的結(jié)果一致。100%WHC條件下施用尿素處理中新加入物料碳得到最大程度的分解，尿素含有豐富的微生物有效性氮源，因此，輔施尿素可推薦為田間環(huán)境下短時(shí)間內(nèi)加速還田的水稻秸稈腐解的舉措；而施加豬糞的處理有較小的分解比例，同時(shí)固碳并提升了土壤有機(jī)碳含量。此外，土壤呼吸速率達(dá)到極值(約28 d)后立即迅速降低，這與土壤中DOC含量在22 d內(nèi)降至較低的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。大量研究結(jié)果證實(shí)，CO2釋放速率與DOC濃度呈現(xiàn)極好的相關(guān)[27-28]，比如Chou等對(duì)農(nóng)業(yè)草炭土壤的培養(yǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CO2釋放速率與DOC濃度間呈線性相關(guān)并且有賴于溫度和水分含量變化[27]。將所有取樣期的呼吸速率與DOC濃度進(jìn)行線性擬合(表4)，同樣發(fā)現(xiàn)在幾乎所有處理中都有顯著的相關(guān)關(guān)系，證實(shí)土壤微生物在培養(yǎng)周期內(nèi)，尤其分解前期是以DOC為基質(zhì)參加代謝活動(dòng)的。

注(Note): WHC—田間最大持水量 Water holding capacity；U—只加尿素 Adding urea；U+—尿素和菌劑都添加 Adding both urea and inoculation; M—只加豬糞 Adding manure；M+—豬糞、菌劑同時(shí)添加 Adding both manure and inoculation.

4 結(jié)論

1)總的來說，高溫、高濕環(huán)境條件下顯示較大CO2釋放量、較少可溶性有機(jī)碳含量及較少總有機(jī)碳固持；而相比速效尿素，添加豬糞后出現(xiàn)較多可溶性有機(jī)碳及較多總有機(jī)碳固持；促腐菌劑的添加促進(jìn)了各處理CO2形式的釋放，但由于低水分含量條件下顯著激發(fā)了CO2的釋放，其添加可能不利于土壤固碳。

2)若忽略溫度因素的影響，水分對(duì)碳素各形態(tài)的轉(zhuǎn)化起到更大作用，輔施氮肥類型差異的影響是隨時(shí)間延長而逐漸弱化或消失的，因此在不同溫度制度下的生產(chǎn)實(shí)踐中具體操作時(shí)，應(yīng)更關(guān)注對(duì)水分的調(diào)控，其次才是氮肥的選擇。

3)施用尿素處理得到更大的物料分解比例，而施用豬糞處理有顯著較大物料分解量(CO2)和總有機(jī)碳固持量，因此在加速還田秸稈快速腐解時(shí)，對(duì)于氮肥品種的選擇應(yīng)綜合考慮不同氮肥輔施后的效應(yīng)，包括短時(shí)期內(nèi)最大化的腐解、溫室氣體釋放及土壤有機(jī)碳含量提升等。

4)在華中低產(chǎn)黃泥田雙季輪作稻區(qū)，推薦采用以下田間優(yōu)化管理措施，實(shí)現(xiàn)還田秸稈快速腐解的同時(shí)又確保最大化土壤培肥固碳的雙效目標(biāo)，即早稻還田時(shí)氣溫高周期短，建議側(cè)重快腐，推薦保持100%WHC，將 輔施適量尿素， 并配合添加秸稈腐解菌劑的田間管理措施；晚稻還田時(shí)氣溫低周期長，建議側(cè)重固碳，推薦保持40%WHC并輔施緩效豬糞的田間管理措施，對(duì)農(nóng)田總有機(jī)碳提升有利。

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Effect of soil moisture and nitrogen fertilizer on the decomposition of straw returned to field and the transformation of carbon under controlled conditions

SU Peng, FU Yu, HE Yan*, XU Jian-ming, WU Jian-jun, WU Liang-huan

(CollegeofEnvironmentalandNaturalResourceSciences,ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSubtropicalSoilandPlantNutrition,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

【Objectives】 To study the effect of soil moisture and nitrogen fertilizer on the decomposition of straw returned to field and the transformation of soil carbon (C). 【Methods】 We investigated impacts of moisture content [40% vs. 100% of water holding capacity (WHC)], N fertilizer [urea(U) vs. pig manure(M)], and supplementary addition of decay-facilitating microbial inocula on the decomposition of straw residues and soil C transformation using a low yield yellow-paddy soil in double rice cropping area, central China. A controlled laboratory experiment was conducted in two temperature (15℃ vs. 35℃) regimes with a total incubation period of 105 days. During the period, CO2, dissolved organic carbon (DOC) and total organic carbon (TOC) were monitored periodically. 【Results】 In general, under both temperature regimes, the CO2release rate and cumulative CO2emission were in a order of 100%WHC-M > 100%WHC-U > 40%WHC-M > 40%WHC-U. Those treatments added with manure were higher than with urea, those treatments under 100%WHC were always higher than those under 40%WHC (P< 0.01), regardless of N fertilizer, in which microbial inoculation significantly improved CO2emissions. On the contrary, DOC contents of treatments under two temperatures followed a sequence of 40%WHC-M > 40%WHC-U>100%WHC-M > 100%WHC-U, namely DOC contents detected under condition of 40%WHC were significantly higher than 100%WHC (P< 0.05), and treatments with manure had higher DOC contents than those with urea but accompanied by a decreasing difference between them. Material decomposition ratio during the 0-7 d, 0-28 d and 0-105 d, which were calculated by CO2release, showed the maximum value in 35℃-100%WHC-U while the minimum value in 15℃-40%WHC-M. Additionally, TOC contents and net TOC increment were the least in 35℃-100%WHC-U (P< 0.01) while the largest in 15℃-40%WHC-M (P<0.01); net TOC increment and net TOC loss were different in different moisture contents (P<0.01) and nitrogen (P<0.05) when incubated under the same temperature, in particular the early stage, and microbial inocula generally reduce TOC content; CO2release rates were significantly correlated to DOC contents in all treatments (P<0.05). 【Conclusions】The water content showed the greatest effect on C transformation, followed by N fertilizer, of which the effect was reduced over time of straw returning; high humidity was more conducive for facilitating the decomposition of straw residues as compared with low humidity, and also caused relatively lower DOC content and TOC immobilization. Application of pig manure could enhance the content of DOC and the immobilization of TOC in soils. Moreover, supplementary addition of decay-facilitating microbial inocula generally accelerated the decomposition of straw residues, but this might be a drawback for C sequestration if at 40%WHC since the addition stimulated a significant release of CO2. Therefore, the coupling management of keeping 100%WHC incorporated with application of urea and microbial inocula was suggested as the best management practice (BMP) during the field-returning period of early season rice straw, with emphasis to stimulate the decomposition of straw residues as soon as possible since the temperature was usually high and the time provided for decomposition before the sowing of late rice was usually short. The coupling management of keeping 40%WHC incorporated with application of pig manure was suggested as the BMP during the field-returning period of late season rice straw, with emphasis to promote soil C sequestration since the temperature was usually low and the time provided for decomposition before the sowing of next early season rice was usually enough.

carbon transformation; coupling management of water, temperature, N fertilizer and microbial inocula; facilitated decomposition of rice straw; low yield paddy soil; improvement of soil fertility; soil carbon sequestration

2013-11-04 接受日期： 2014-05-22

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201003016)； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB100502)； 國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD15BO4-2)聯(lián)合資助。

蘇朋(1988—), 男, 山東肥城人, 博士研究生, 主要從事土壤化學(xué)與環(huán)境方面的研究。E-mail: supervtu@163.com * 通信作者 Tel: 0571-88982065, E-mail: yhe2006@zju.edu.cn

S141.4

A

1008-505X(2015)01-0001-11