不同溫度下2種不同pH值水稻土甲烷產(chǎn)生的比較

買爾哈巴·力提甫，韋 夢(mèng)，裘瓊芬

（寧波大學(xué)海洋學(xué)院，寧波315211）

不同溫度下2種不同pH值水稻土甲烷產(chǎn)生的比較

買爾哈巴·力提甫，韋 夢(mèng)，裘瓊芬

（寧波大學(xué)海洋學(xué)院，寧波315211）

水稻土甲烷的產(chǎn)生受環(huán)境因子的影響。為了比較不同溫度下不同pH值水稻土甲烷產(chǎn)生的差異，同時(shí)分析不同溫度下產(chǎn)甲烷隨時(shí)間的變化與理化因子變化的相關(guān)性，以酸性砂質(zhì)水稻土（pH值4.67）和偏堿性粘質(zhì)水稻土（pH值7.88）為研究對(duì)象，在15℃、25℃、37℃以及50℃4個(gè)溫度下進(jìn)行為期100 d的厭氧培養(yǎng)，定期測(cè)定培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)甲烷累積量以及土壤理化因子pH值、氨氮以及有機(jī)碳的變化。結(jié)果表明，在15℃～37℃范圍內(nèi)初始有機(jī)碳含量以及氨氮濃度高的酸性砂質(zhì)水稻土產(chǎn)甲烷大于偏堿性粘質(zhì)水稻土；2種土壤產(chǎn)甲烷量以及產(chǎn)甲烷速率均隨溫度升高而增大，均在37℃時(shí)達(dá)到最大值；然而在50℃高溫下，酸性砂質(zhì)水稻土甲烷產(chǎn)量明顯小于堿性粘質(zhì)水稻土，且其產(chǎn)甲烷量以及產(chǎn)甲烷速率明顯下降，甚至低于25℃，而堿性粘質(zhì)土壤產(chǎn)甲烷量依然高于37℃，產(chǎn)甲烷速率與37℃相比沒(méi)有明顯下降，說(shuō)明高溫對(duì)酸性砂質(zhì)水稻土的影響大于堿性粘質(zhì)水稻土。在厭氧培養(yǎng)過(guò)程中，不同溫度下氨氮濃度與產(chǎn)甲烷始終保持比較高的相關(guān)性，而有機(jī)碳含量的變化與產(chǎn)甲烷的相關(guān)性隨溫度升高而下降，說(shuō)明高溫下影響土壤產(chǎn)甲烷的因素較低溫復(fù)雜得多。與堿性土壤相比，不同溫度下酸性土壤pH值的變化對(duì)產(chǎn)甲烷的影響較大。

甲烷；水稻土；溫度

甲烷作為僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其溫室效應(yīng)的潛能是二氧化碳的25倍［1］，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%［2］。甲烷的產(chǎn)生和排放對(duì)全球氣候變暖有著重要的影響。農(nóng)田是土壤生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放的主要來(lái)源，排放量占全球甲烷排放總量的5%～19%［3］。甲烷的產(chǎn)生作為厭氧條件下水稻土有機(jī)質(zhì)降解的最重要終端過(guò)程［4］，是產(chǎn)甲烷微生物在嚴(yán)格厭氧條件下作用于產(chǎn)甲烷底物的結(jié)果。溫度是影響產(chǎn)甲烷潛力的重要環(huán)境因子［5］，溫度對(duì)產(chǎn)甲烷潛力的影響主要表現(xiàn)在甲烷的產(chǎn)生和排放在微生物以及生態(tài)系統(tǒng)的尺度上對(duì)溫度存在一致的依賴性［6］。溫度通過(guò)影響產(chǎn)甲烷相關(guān)微生物的群落結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)甲烷代謝過(guò)程來(lái)影響產(chǎn)甲烷潛質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中硝酸鹽、三價(jià)鐵、硫酸鹽等氧化劑以及多糖、丙酸鹽、乙酸鹽、氫氣等還原劑的可利用性決定了甲烷產(chǎn)生的各個(gè)階段的連續(xù)性［7］，溫度還可通過(guò)影響這些還原過(guò)程來(lái)影響甲烷的生成［8］。在亞洲水稻田土壤溫度達(dá)50℃并不常見(jiàn)，但在中國(guó)東南地區(qū)，夏季淹水水稻田水土交界面溫度可超過(guò)45℃［9］。因此研究高溫下水稻土產(chǎn)甲烷有實(shí)際意義。

土壤的理化因子如溫度、含水量、pH值和土壤質(zhì)地等都直接影響土壤微生物種類、數(shù)量及代謝過(guò)程，從而影響溫室氣體的排放［10-12］。甲烷排放的最適pH值環(huán)境為中性環(huán)境，pH值微小降低，都會(huì)降低甲烷的排放通量。在-250和-200mV時(shí)，pH值增加0.2就能導(dǎo)致CH4排放通量增加近20%［13］。土壤pH值是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子，不同的產(chǎn)甲烷微生物有不同的pH值范圍和不同的最適pH值［14］。pH值能通過(guò)影響微生物群落以及活性來(lái)影響產(chǎn)甲烷的潛質(zhì)，同時(shí)酸化累積過(guò)程導(dǎo)致土壤碳素、氮素以及其他營(yíng)養(yǎng)元素的差異也可能直接影響甲烷的產(chǎn)生與排放［15］。甲烷的產(chǎn)生是微生物分解有機(jī)質(zhì)的結(jié)果，而碳源與氮源以及其他營(yíng)養(yǎng)元素的改變直接關(guān)系到微生物的生長(zhǎng)，同時(shí)有機(jī)質(zhì)作為甲烷產(chǎn)生的前體基質(zhì)，對(duì)甲烷的產(chǎn)生有重要的影響。因此酸化累積過(guò)程中pH值的改變對(duì)甲烷的產(chǎn)生有重要的影響。

目前關(guān)于溫度對(duì)產(chǎn)甲烷的研究報(bào)道較多，但關(guān)于溫度對(duì)pH值差異較大的不同水稻土甲烷產(chǎn)生的影響報(bào)道較少。為了研究不同pH值水稻土產(chǎn)甲烷對(duì)溫度的響應(yīng)，以及分析產(chǎn)甲烷量的變化與環(huán)境因子變化的相關(guān)性，本文以酸性砂質(zhì)水稻土以及偏堿性粘質(zhì)水稻土為研究對(duì)象，在15℃、25℃、37℃以及50℃ 4個(gè)溫度下進(jìn)行為期100 d的厭氧培養(yǎng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)體系上空甲烷含量的變化以及土壤理化因子如pH值、氨氮濃度以及有機(jī)碳含量的改變，來(lái)分析溫度對(duì)兩種水稻土產(chǎn)甲烷的影響。

1 材料和方法

1.1土樣采集

供試水稻土采集于浙江省寧波市洋沙山水稻種植區(qū)（121°54'36.9''E，29°45'3.9''N），該地屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為16.4℃，降水量為1480mm,日照時(shí)數(shù)為1850 h,無(wú)作物生長(zhǎng)期為300 d。根據(jù)來(lái)源分為海濱濕地改良的粘質(zhì)水稻土（S1）和山地發(fā)育的砂質(zhì)水稻土（S2）。采集水稻耕作層土壤（深度約15～20 cm），自然風(fēng)干后過(guò)2mm篩，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得土樣的基礎(chǔ)理化性質(zhì)在曹競(jìng)雄等［16］的研究中已有描述，具體如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)［16］Table1 Physical-chemicalpropertiesof the tested soils

1.2水稻土的厭氧培養(yǎng)

將20m L滅菌水與10 g干土以水土比2∶1混合于125m L模制玻璃瓶中，丁基膠塞封口。連續(xù)通氮?dú)猓?9.99%）5m in以排出瓶?jī)?nèi)空氣，隨后在15℃、25℃，37℃和50℃的恒溫生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行為期100 d的黑暗靜置培養(yǎng)。每種土壤、每個(gè)溫度各設(shè)置9組（每組3個(gè)平行）培養(yǎng)體系，其中固定的一組用于監(jiān)測(cè)培養(yǎng)過(guò)程中模制玻璃瓶?jī)?nèi)上空的甲烷濃度，其余用于8個(gè)時(shí)期（2、5、12、22、36、50、70和100 d）土樣及上清液的采集。共計(jì)2（土壤）×4（溫度）×9（組）×3（平行）=216個(gè)培養(yǎng)體系。采集的泥漿混勻后立即離心，將上清液與土壤樣品分離。上清液用0.45μm的微孔濾膜進(jìn)行過(guò)濾，去除雜質(zhì)。土壤與上清液樣品均冷凍保存在-20℃，直至用于后續(xù)分析。

1.3 甲烷產(chǎn)生的測(cè)定

不定期間隔1～10 d測(cè)定培養(yǎng)瓶上空的甲烷濃度，以此計(jì)算水稻土的甲烷產(chǎn)生。具體做法如下：震蕩培養(yǎng)瓶使泥漿與上空氣體充分接觸，達(dá)到氣液平衡，用帶閥門的氣密性采樣針采集培養(yǎng)瓶頂置氣體100μL，用帶有氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)的氣相色譜（GC）（Agilent7890A）測(cè)定甲烷濃度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體計(jì)算得到樣品的甲烷濃度，結(jié)合考慮每次采樣的氣體損失量，計(jì)算得到甲烷產(chǎn)生的累積濃度，單位為μmol/L，計(jì)算公式如下：

其中CT為T時(shí)刻甲烷累積濃度，C測(cè)為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)量得到的樣品甲烷濃度，CT-1為T-1時(shí)刻甲烷累積濃度，100代表的是測(cè)量時(shí)采集培養(yǎng)瓶頂置氣體的體積，22.4為氣體摩爾體積。

1.4土壤及上清液的理化測(cè)定

1.4.1土壤含水率測(cè)定

采用烘干法測(cè)定土壤含水率。稱取3 g離心得到的土壤樣品，在105℃烘12 h左右至恒重，稱量干重，計(jì)算得到土壤含水率。

1.4.2上清液pH值測(cè)定

用pH計(jì)（上海精科）測(cè)得測(cè)定過(guò)濾后上清液的pH值。

1.4.3土壤有機(jī)碳測(cè)定

土壤有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法［17］。0.2 g土壤樣品加入硫酸汞、重鉻酸鉀和硫酸后混勻，在135℃下消解30min。冷卻、定容后進(jìn)行離心，取上清液在585 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行比色，根據(jù)葡萄糖溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到土壤有機(jī)碳含量。

1.4.4氨氮濃度測(cè)定

土壤中的氨氮用10倍體積的2M KCl溶液提取并用0.45μm的微孔濾膜進(jìn)行過(guò)濾得到，與上清液中的氨氮均采用熒光法測(cè)定［18］。80μL待測(cè)液中加入20 μL的反應(yīng)液（500mM磷酸緩沖溶液，50mM 2-mercaptoethanol，15mM o-phthalaldehyde）混勻，黑暗中反應(yīng)10m in后，在激發(fā)波長(zhǎng)為410 nm、發(fā)射波長(zhǎng)為470 nm的酶標(biāo)儀中測(cè)得熒光信號(hào)值。配制已知濃度的NH4Cl溶液作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，由此計(jì)算得到土壤和上清液的氨氮濃度。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用M icrosoft Excel2003和past軟件對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)其進(jìn)行ANOVA分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 甲烷產(chǎn)生的比較

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，甲烷平均產(chǎn)生速率由100 d甲烷累積總量除以總培養(yǎng)時(shí)間（100 d）計(jì)算得到（表2）。兩種水稻土在不同培養(yǎng)溫度下均有甲烷產(chǎn)生，但甲烷產(chǎn)生的速率及培養(yǎng)100 d的累積量有顯著差異。如圖1所示，復(fù)水水稻土的甲烷產(chǎn)生均要經(jīng)歷一定的厭氧恢復(fù)期，不同溫度下恢復(fù)期長(zhǎng)短不同。15℃下恢復(fù)期最長(zhǎng)，2種土壤均在36 d后才有明顯的甲烷產(chǎn)生；37℃下恢復(fù)期最短，只需5 d左右。培養(yǎng)10～30 d，是除15℃外的其余各溫度下甲烷產(chǎn)生最快的時(shí)期，37℃下2種水稻土的甲烷產(chǎn)生速率最大，分別為540μmol/L·d（S1）和1051μmol/L·d（S2）。37℃和50℃下，水稻土S1的甲烷濃度在50 d后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期；而水稻土S2在培養(yǎng)后50 d的甲烷濃度增幅與前50 d相類似，甲烷產(chǎn)量并未降低。37℃培養(yǎng)下水稻土S2的甲烷產(chǎn)量最高，100 d后培養(yǎng)體系內(nèi)甲烷濃度已累積到3296μmol/L，平均速率為411.98μmol/L·d（表2），約為15℃下的5倍。37℃培養(yǎng)下水稻土S1的甲烷產(chǎn)生平均速率雖然較S2低，但與15℃相比的增幅要大于S2。除50℃外，其余各溫度下，厭氧培養(yǎng)100 d后水稻土S1的甲烷總產(chǎn)量均低于水稻土S2。通過(guò)比較水稻土產(chǎn)甲烷平均速率在不同溫度下的差異（表2）得出，在15℃～37℃范圍內(nèi)，S1和S2水稻土產(chǎn)甲烷平均速率都隨溫度的增加而明顯增大，37℃時(shí)，兩種土壤產(chǎn)甲烷平均速率達(dá)最大值。在50℃高溫時(shí)，S1土壤產(chǎn)甲烷速率變化不大，而S2土壤產(chǎn)甲烷速率明顯降低，甚至低于25℃時(shí)的速率。通過(guò)對(duì)甲烷平均速率以及100 d甲烷累積總量進(jìn)行差異性分析，結(jié)果如表2。從表2可以看出，在15℃～37℃范圍內(nèi)，S1水稻土和S2水稻土在各個(gè)溫度下甲烷累積總量以及甲烷平均速率均達(dá)到1%的顯著差異水平。而在50℃下，S1水稻土與37℃差異不顯著，S2水稻土與37℃差異達(dá)1%顯著水平。說(shuō)明溫度變化對(duì)不同水稻土的甲烷產(chǎn)生的影響有差異。在15℃～37℃范圍內(nèi)，不同水稻土產(chǎn)甲烷對(duì)溫度變化的響應(yīng)規(guī)律相類似，而在50℃高溫下，不同水稻土產(chǎn)甲烷累積量以及產(chǎn)甲烷平均速率變化差異很大。

2.2 理化分析

2.2.1上清液的pH值變化

培養(yǎng)前，水稻土S1和S2的pH值（H2O）分別為7.88和4.67，呈弱堿性和酸性。厭氧培養(yǎng)后，兩者pH值均與培養(yǎng)前有所不同。水稻土S1在復(fù)水培養(yǎng)2 d后，除15℃外，其余溫度下的水稻土pH值均已上升至8.5左右，并持續(xù)到培養(yǎng)結(jié)束。15℃下水稻土S1的pH值上升較慢，培養(yǎng)5 d后才上升到8.5。培養(yǎng)過(guò)程中，不同溫度下水稻土的pH值無(wú)顯著差異。水稻土S2復(fù)水培養(yǎng)后pH值有小幅度下降，隨后均快速上升，其中37℃水稻土培養(yǎng)2 d后pH值已超過(guò)原始pH值，其余在培養(yǎng)5 d后也上升到不同程度。在水稻土S2中，溫度對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中的pH值有顯著影響。37℃培養(yǎng)溫度使水稻土S2的pH值從5 d后開(kāi)始維持在6.5左右，25℃培養(yǎng)溫度下水稻土pH值在70 d時(shí)有較大波動(dòng)，15℃和50℃培養(yǎng)溫度下水稻土pH值在5 d時(shí)在5.5左右，隨后逐漸上升。至培養(yǎng)結(jié)束，所有溫度下水稻土S2的pH值又趨于一致，均為6.5。說(shuō)明不同土壤pH值對(duì)溫度變化的響應(yīng)有差異。

圖1 培養(yǎng)期間不同溫度下2種水稻土的甲烷產(chǎn)生量Fig 1 Methaneem ission from two kindsof rice paddy soilsunder different temperatures during incubation (Mean±SE,n=3)

圖2 不同溫度下2種水稻土上清液pH的變化Fig 2 pH changes in the supernatantsof two kindsof rice paddy soils underdifferent temperatures (Mean±SE,n=3)

表2 培養(yǎng)期間水稻土甲烷產(chǎn)生的平均速率以及100 d甲烷累積總量Table2 The average rateofmethane production and theaccumulation ofmethaneafter100 days from rice paddy soilduring incubation

2.2.2 土壤有機(jī)碳

烘干法測(cè)得離心得到的土樣含水率均為40%。兩種土壤有機(jī)碳含量隨著培養(yǎng)時(shí)間的變化有明顯差異。兩種土壤在各個(gè)溫度下有機(jī)碳含量的變化均比較穩(wěn)定，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，不同溫度之間差異不明顯；到培養(yǎng)后期，S1各個(gè)溫度下有機(jī)碳含量均在15 g/kg左右，S2土壤有機(jī)碳含量在10 g/kg左右。在培養(yǎng)前36 d，各個(gè)溫度下S2土壤有機(jī)碳含量均大于S1水稻土。而到了培養(yǎng)后期，S1水稻土有機(jī)碳含量略有下降，而各個(gè)溫度下S2土壤有機(jī)碳含量明顯下降。說(shuō)明在溫度變化對(duì)兩種土壤有機(jī)碳含量影響不大，到培養(yǎng)后期由于微生物的消耗作用，各個(gè)溫度下土壤有機(jī)碳含量均下降。

2.2.3 氨氮濃度變化

試驗(yàn)中同時(shí)監(jiān)測(cè)土壤浸提液以及上清液氨氮的濃度，結(jié)果如圖4所示。土壤氨氮由于氮素礦化的作用，從培養(yǎng)開(kāi)始一直上升，直到22 d左右達(dá)到最大值。36 d后無(wú)論是上清液還是浸提液，氨氮濃度比較穩(wěn)定。從圖4還可以看出，S1和S2土壤上清液氨氮濃度差異較明顯。而兩土壤浸提液氨氮濃度差異不大。且不同溫度下，S1和S2土壤氨氮變化規(guī)律相似。兩種土壤浸提液和上清液氨氮濃度都隨著溫度的升高而增大。尤其是土壤上清液氨氮濃度隨溫度的變化更加明顯。到培養(yǎng)100 d結(jié)束時(shí)，各個(gè)溫度下，無(wú)論是土壤上清液還是土壤浸提液，S2土壤氨氮濃度均大于S1。說(shuō)明溫度對(duì)不同土壤氨氮濃度的變化影響效果一致。

2.2.4環(huán)境因子與產(chǎn)甲烷量的相關(guān)性分析

為了分析水稻土環(huán)境因子的變化與產(chǎn)甲烷量變化的相關(guān)性，對(duì)產(chǎn)甲烷量與環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示，各個(gè)溫度下兩種水稻土的上清液氨氮以及土壤氨氮與產(chǎn)甲烷量的相關(guān)系數(shù)R均在0.64以上，說(shuō)明不管是中低溫還是高溫，氨氮對(duì)土壤的產(chǎn)甲烷有一定的影響。表3還可以看出，土壤產(chǎn)甲烷量的變化與有機(jī)碳含量的變化呈負(fù)相關(guān)，即隨著產(chǎn)甲烷量的增多，土壤有機(jī)碳消耗得越多，且兩種土壤產(chǎn)甲烷量的變化與有機(jī)碳含量變化的相關(guān)性隨著溫度的增高呈下降趨勢(shì)。土壤pH值的變化對(duì)產(chǎn)甲烷的變化得影響因土壤而異，偏堿性土壤S1 pH值的變化與產(chǎn)甲烷量的變化的相關(guān)性均比較低，而偏酸性土壤S2的pH值變化與產(chǎn)甲烷量的相關(guān)性均比較高，且15℃以及50℃的相關(guān)系數(shù)R均大于25℃與37℃。

圖3 不同溫度下2種水稻土有機(jī)碳含量的變化Fig 3 Organic carbon of two kindsof rice paddy soils under different temperatures (Mean±SE,n=3)

圖4 不同溫度下兩種水稻土上清液（A）和土壤（B）中氨氮濃度的變化Fig 4 The concentration of NH3-N in the supernatantsand rice paddy soilsunder different temperatures (Mean±SE,n=3)

3 討論

水稻土產(chǎn)甲烷潛力受生物因素和非生物因素綜合作用的影響［19］。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在15℃～37℃范圍內(nèi)，各個(gè)溫度下酸性水稻土S2的產(chǎn)甲烷量以及產(chǎn)甲烷平均速率均大于偏堿性土壤S1。這可能與兩土壤可供微生物利用的氮源以及碳源有關(guān)。Wassmann等［20］研究發(fā)現(xiàn)，甲烷產(chǎn)生與土壤有機(jī)碳的含量呈正相關(guān)。當(dāng)環(huán)境條件適宜時(shí)，底物供應(yīng)成為控制甲烷產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。Yagi等［21］利用3種含碳量不同的土壤研究其產(chǎn)甲烷量的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含碳量最高的泥炭土產(chǎn)甲烷量最大，其次到潛育土，含碳量最低的火山土產(chǎn)甲烷量最少。土壤S2初始有機(jī)碳含量以及各個(gè)溫度下培養(yǎng)初期有機(jī)碳含量均大于土壤S1，這為產(chǎn)甲烷提供了更多的前體基質(zhì)。S1土壤較S2土壤而言，低產(chǎn)甲烷量以及低產(chǎn)甲烷速率是由于較低的土壤有機(jī)質(zhì)引起［22］。無(wú)論是S1土壤還是S2土壤，在整個(gè)封閉的培養(yǎng)周期中，沒(méi)有外源碳輸入與輸出的影響，到了培養(yǎng)后期，由于微生物的分解作用，各個(gè)溫度下有機(jī)碳含量均有減少。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)由于產(chǎn)甲烷的差異導(dǎo)致了不同土壤有機(jī)質(zhì)消耗的差異，從而出現(xiàn)了S2土壤含碳量下降明顯大于S1土壤。氨氮是微生物可利用的有效氮素之一，直接影響著微生物的生長(zhǎng)繁殖［23］。本試驗(yàn)結(jié)果中，2種土壤在4個(gè)溫度下，產(chǎn)甲烷量的變化與土壤上清液以及浸提液的氨氮濃度的相關(guān)性均比較大。產(chǎn)甲烷菌主要以NH4-N為氮源［24］，其含量的增加會(huì)加快產(chǎn)甲烷菌的生理活動(dòng)。各個(gè)溫度下S2土壤略高于S1土壤的氨氮濃度為產(chǎn)甲烷微生物提供了更多的氮源，促進(jìn)了甲烷的產(chǎn)生。除此之外，與兩者的土壤質(zhì)地也有很大的關(guān)系。土壤質(zhì)地直接影響土壤通透性和水分含量，從而影響有機(jī)質(zhì)氧化分解以及還原過(guò)程的強(qiáng)弱及溫室氣體的產(chǎn)生及其在土壤中的擴(kuò)散［25］。研究發(fā)現(xiàn)，砂質(zhì)及壤質(zhì)水稻土甲烷排放通量顯著或極顯著大于粘質(zhì)水稻土［26-27］。S1土壤為粘質(zhì)土壤，這也是其產(chǎn)甲烷量低于砂質(zhì)土壤S2的原因之一。

溫度是影響水稻土產(chǎn)甲烷的重要環(huán)境因子之一。在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤溫度升高可加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解和微生物的活性［28］，從而提高甲烷產(chǎn)生潛力。本試驗(yàn)結(jié)果中，無(wú)論是偏堿性的S1水稻土還是酸性的S2水稻土，在15～37℃范圍內(nèi)，甲烷產(chǎn)量以及甲烷平均產(chǎn)生速率均隨著溫度的上升而增加，這與前人的研究結(jié)果相一致。Fred等［29］的研究表明10～37℃范圍，隨著溫度的升高，氫氣分壓增大，從而使得甲烷產(chǎn)生速率增大。Yang等［30］研究也表明，甲烷產(chǎn)生量在15～37℃范圍內(nèi)與溫度呈正關(guān)。而在37～50℃之間與溫度呈負(fù)相關(guān)。該研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。尤其是S2土壤，溫度升到50℃時(shí)，無(wú)論是甲烷產(chǎn)量還是甲烷產(chǎn)生速率都明顯下降。本試驗(yàn)中，2種土壤的最高產(chǎn)甲烷平均速率均出現(xiàn)在37℃。這與產(chǎn)甲烷菌最適活動(dòng)溫度有關(guān)。研究表明大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)的最適溫度在35～37℃之間，產(chǎn)甲烷菌的活性隨土壤溫度的升高而增大［31］。而當(dāng)溫度高于產(chǎn)甲烷菌的最適合溫度時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活性不再隨溫度升高而升高。從圖3的結(jié)果得出，在沒(méi)有外源碳影響的情況下，溫度對(duì)2種土壤有機(jī)碳含量影響不大，但通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，中低溫條件下產(chǎn)甲烷量的增加與有機(jī)碳含量變化的相關(guān)性大于高溫條件，說(shuō)明高溫條件下，影響甲烷產(chǎn)量的因素要復(fù)雜得多，要綜合其他因素。水分是影響甲烷生產(chǎn)和消耗的重要因素［32-34］，水分充足時(shí)，有機(jī)物多發(fā)生厭氧分解，從而增加甲烷產(chǎn)量。Yang等［30］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水量從16.7%升到60%時(shí)，甲烷產(chǎn)生量與含水量成正相關(guān)。因此高溫下2種土壤產(chǎn)甲烷量的減少可能受水分蒸發(fā)的影響。溫度的變化，影響了土壤上清液以及浸提液氨氮濃度的變化。厭氧條件下土壤氨氮是由有機(jī)氮礦化生成，而氮礦化反應(yīng)受溫度的影響，溫度升高能加促礦化反應(yīng)速率［35］。本實(shí)驗(yàn)中，2種土壤的氨氮濃度均隨著溫度的升高而增大。且氨氮濃度與產(chǎn)甲烷量的相關(guān)性分析表明氨氮濃度影響土壤產(chǎn)甲烷的能力。即使高溫條件下，土壤有機(jī)碳含量與中低溫時(shí)相差不大，氨氮濃度也大于中低溫，但這并沒(méi)有使得土壤產(chǎn)甲烷量增大，產(chǎn)甲烷量以及產(chǎn)甲烷速率反而減少，這可能與產(chǎn)甲烷代謝途徑與溫度的響應(yīng)有關(guān)［6］。遺憾的是，本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中微生物群落的變化進(jìn)行分析。

表3 不同溫度下水稻土S1和S2產(chǎn)甲烷與環(huán)境因子的相關(guān)性Table3 Correlation coefficientsbetweenmethaneemission and environment factorsS1 and S2 of soilsunder different temperatures

土壤pH值是影響產(chǎn)甲烷的另一重要環(huán)境因子，影響土壤微生物的群落和活性。產(chǎn)甲烷的最適pH值為中性［36］。產(chǎn)甲烷菌在中性或稍微堿性的土壤中活性最強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷發(fā)揮作用的最佳pH值6.9～7.2［37］。在培養(yǎng)過(guò)程中，氨氮濃度的升高，直接導(dǎo)致了土壤pH值的變化。土壤pH值隨著氨氮濃度的增大都有所升高。但溫度對(duì)兩種土壤pH值變化的影響有差異。S1土壤pH值在不同溫度之間波動(dòng)不大，且從相關(guān)性分析結(jié)果可知，pH值的變化與產(chǎn)甲烷量的變化的相關(guān)性不大。說(shuō)明pH值不是影響不同溫度之間該土壤產(chǎn)甲烷差異的直接因素。而S2土壤pH值在不同溫度之間波動(dòng)較大。37℃時(shí)，土壤pH值最接近7且最穩(wěn)定，其次到25℃。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，15℃和50℃培養(yǎng)時(shí)，pH值均保持在較低的狀態(tài)（培養(yǎng)前期低于5.5），且波動(dòng)都比較大。Svensson等［38］研究發(fā)現(xiàn)較低的pH值對(duì)甲烷形成具有抑制作用。因此較低的pH值可能是15℃以及50℃產(chǎn)甲烷潛力較低的原因之一。Inubushi等［39］研究表明，土壤pH值5～7，甲烷生成量逐漸增加。因此溫度可能通過(guò)影響S2土壤的pH值來(lái)影響甲烷的產(chǎn)生。比較同種溫度下S1與S2 2種不同pH值水稻土產(chǎn)甲烷量的大小，pH值的升高對(duì)產(chǎn)甲烷速率的影響不一，因土壤性質(zhì)而異［40］。從2種土壤pH值的變化以及其與產(chǎn)甲烷變化的相關(guān)性可知，當(dāng)土壤pH值較低時(shí)，其變化對(duì)產(chǎn)甲烷的變化較為明顯。

綜上所述，在15～37℃范圍內(nèi)，各個(gè)溫度下有機(jī)碳含量以及氨氮濃度略高的砂質(zhì)土壤S2產(chǎn)甲烷大于粘質(zhì)土壤S1；且無(wú)論是酸性砂質(zhì)水稻土還是偏堿性粘質(zhì)水稻土，產(chǎn)甲烷量以及產(chǎn)甲烷速率與溫度呈正相關(guān)，產(chǎn)甲烷速率均在37℃時(shí)達(dá)到最大值。而在50℃高溫條件下，無(wú)論是酸性砂質(zhì)土壤還是偏堿性粘質(zhì)土壤產(chǎn)甲烷速率都不再上升；而高溫對(duì)酸性砂質(zhì)土壤產(chǎn)甲烷的影響明顯大于粘質(zhì)土壤，酸性砂質(zhì)土壤50℃產(chǎn)甲烷量以及產(chǎn)甲烷速率明顯下降，甚至低于25℃；而高溫對(duì)粘質(zhì)水稻土產(chǎn)甲烷的影響并不是很大，其產(chǎn)甲烷量依然高于37℃，而產(chǎn)甲烷速率與37℃相比略有下降，但不明顯。在厭氧培養(yǎng)過(guò)程中，不同溫度下氨氮濃度與產(chǎn)甲烷始終保值比較高的相關(guān)性，而有機(jī)碳含量的變化與產(chǎn)甲烷的相關(guān)性隨溫度升高而下降，說(shuō)明高溫下影響土壤產(chǎn)甲烷的因素比較復(fù)雜。在較低pH值的情況下，pH值的變化對(duì)產(chǎn)甲烷的影響較大。不同水稻土，溫度變化對(duì)土壤理化因子的影響有差異，因此研究溫度對(duì)不同水稻土產(chǎn)甲烷潛力的差異時(shí)要綜合多方面因素考慮。

［1］Forster P,Ramaswamy V,Artaxo P,etal.Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing.Chapter 2［M］//Climate Change2007.The Physical Science Basis,2007.

［2］Hansen JE,Lacis A A.Sun and dust versus greenhouse gases:An assessment of their relative roles in global climate change［J］.Nature,1990,346:713-719.

［3］IPCC.Climate change 2007:Couplings Between Changes in the Climate System and Biogeochemistry.http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf.

［4］Thauer R K,Kaster A K,Seedorf H,et al.Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation［J］.Nature Review sM icrobiology,2008,6(8):579-591.

［5］Khalil M A K,Rasmussen R A,Shearer M J,et al.Factors affectingmethane emissions from rice fields［J］.Journalof Geophysical Research:Atmospheres(1984–2012),1998,103(D19):25219-25231.

［6］Yvon-Durocher G,Allen A P,Bastviken D,et al.Methane fluxes show consistent temperature dependence acrossm icrobial to ecosystem scales［J］.Nature,2014,507(7493):488-491.

［7］Glissmann K,Conrad R.Saccharolytic activity and its role as a limiting step in methane formation during the anaerobic degradation of rice straw in rice paddy soil［J］.Biology and Fertility of Soils,2002,35(1):62-67.

［8］Yao H,Conrad R.Effect of temperature on reduction of iron and production of carbon dioxide and methane in anoxic wetland rice soils［J］.Biology and Fertility of Soils,2000,32(2):135-141.

［9］Rui J,Qiu Q,Lu Y.Syntrophic acetateoxidation under thermophilicmethanogenic condition in Chinese paddy field soil［J］.FEMS M icrobiology Ecology,2011,77(2):264-273.

［10］Khalil M A K,Shearer M J.Decreasing em issions of methane from rice agriculture［C］//International Congress Series.Elsevier, 2006,1293:33-41.

［11］秦小光,蔡炳貴,吳金水,等.土壤溫室氣體晝夜變化及其環(huán)境影響因素研究［J］.第四紀(jì)研究,2005,25(3):376-388.

［12］Smith K A,Ball T,Conen F,etal.Exchange of greenhouse gases between soil and atmosphere:interactions of soil physical factors and biological processes［J］.European Journal of Soil Science, 2003,54(4):779-791.

［13］翟 勝,高寶玉,王巨媛,等.農(nóng)田土壤溫室氣體產(chǎn)生機(jī)制及影響因素研究進(jìn)展［J］.生態(tài)環(huán)境,2008,17(6):2488-2493.

［14］LüZ,Lu Y.Methanocella conradiisp.nov.,a thermophilic,obligate hydrogenotrophic methanogen,isolated from Chinese rice field soil［J］.PloSone,2012,7(4):e35279.

［15］歐陽(yáng)學(xué)軍,周國(guó)逸,黃忠良,等.土壤酸化對(duì)溫室氣體排放影響的培育實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué),2005,25(4):465-470.

［16］曹競(jìng)雄，韋 夢(mèng)，陳孟次，等.溫度對(duì)厭氧條件下不同pH水稻土氮素礦化的影響［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014,22（10）：1182-1189.

［17］李志鵬,潘根興,李戀卿,等.水稻土和濕地土壤有機(jī)碳測(cè)定的CNS元素分析儀法與濕消化容量法之比較［J］.土壤,2008,40 (4):580-585.

［18］Murase J,Noll M,Frenzel P.Impact of protists on the activity and structure of the bacterial community in a rice field soil［J］.Applied and EnvironmentalM icrobiology,2006,72(8):5436-5444.

［19］Bao Q L,Xiao K Q,Chen Z,etal.Methane production andmethanogenic archaeal communities in two types of paddy soil amended w ith different amounts of rice straw［J］.FEMSM icrobiology Ecology,2014,88(2):372-385.

［20］Wassmann R,Neue H U,Bueno C,etal.Methane production capacities of different rice soils derived from inherent and exogenous substrates［J］.Plantand Soil,1998,203(2):227-237.

［21］Yagi K,M inami K.Effectof organicmatter application onmethane em ission from some Japanese paddy fields［J］.Soil Science and PlantNutrition,1990,36(4):599-610.

［22］丁維新,蔡祖聰.土壤有機(jī)質(zhì)和外源有機(jī)物對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(10):1672-1679.

［23］Schimel J.Global change:rice,m icrobes and methane［J］.Nature,2000,403(6768):375-377

［24］顏永毫,王丹丹,鄭紀(jì)勇.生物炭對(duì)土壤N2O和CH4排放影響的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(8):140-146.

［25］Garnier P,Cambier C,Bousso M,etal.Modeling the influence of soil-plant residue contacton carbonm ineralization:Comparison of a compartmentalapproach and a3D spatialapproach［J］.SoilBiology and Biochem istry,2008,40(11):2754-2761.

［26］焦 燕,黃 耀,宗良綱,等.土壤理化特性對(duì)稻田CH4排放的影響［J］.環(huán)境科學(xué),2002,23(5):1-7.

［27］Hassink J.Density fractions of soilmacroorganicmatter andm icrobial biomass as predictors of C and N mineralization［J］.Soil Biology and Biochem istry,1995,27(8):1099-1108.

［28］Trumbore SE,Chadw ick O A,Amundson R.Rapid exchange between soil carbon and atmospheric carbon dioxide driven by temperature change［J］.Science-New York The Washington,1996: 393-395.

［29］Fey A,Conrad R.Effect of temperature on carbon and electron flow and on thearchaeal community inmethanogenic rice field soil［J］.Applied and Environmental M icrobiology,2000,66(11): 4790-4797.

［30］Yang S S,Chang H L.Effect of environmental conditions on methane production and emission from paddy soil［J］.Agriculture, Ecosystems&Environment,1998,69(1):69-80.

［31］Parashar D C,Gupta PK,Rai J,et al.Effect of soil temperature on methane emission from paddy fields［J］.Chemosphere,1993, 26(1):247-250.

［32］Sm ith JL,Collins H P,Bailey V L.The effect of young biochar on soil respiration［J］.Soil Biology and Biochemistry,2010,42 (12):2345-2347.

［33］李海防,夏漢平,熊燕梅,等.土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放影響因素研究進(jìn)展［J］.生態(tài)環(huán)境,2007,16(6):1781-1788.

［34］Bossio DA,HorwathW R,MuttersRG,etal.Methane pooland flux dynam ics in a rice field follow ing straw incorporation［J］. Soil Biology and Biochem istry,1999,31(9):1313-1322.

［35］馬 力,楊林章,顏廷梅,等.長(zhǎng)期施肥水稻土氮素剖面分布及溫度對(duì)土壤氮素礦化特性的影響［J］.土壤學(xué)報(bào),2010,47(2): 286-294.

［36］Wang Z P,Delaune RD,PatrickW H,etal.Soil redox and pH effectsonmethane production in a flooded rice soil［J］.Soil Science Society ofAmerica Journal,1993,57(2):382-385.

［37］Wang Z P,Lindau CW,Delaune R D,et al.Methane em ission and entrapment in flooded rice soils as affected by soil properties［J］.Biology and Fertility of Soils,1993,16(3):163-168.

［38］Svensson B H,Rosswall T.In situmethane production from acid peat in plantcommunitiesw ith differentmoisture regimes in a subarcticmire［J］.Oikos,1984,341-350.

［39］InubushiK,Otake S,Furukawa Y,etal.Factors influencingmethane em ission from peat soils:comparison of tropical and temperate wetlands［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems,2005,71 (1):93-99.

［40］姚守平,羅 鵬,王艷芬,等.濕地甲烷排放研究進(jìn)展［J］.世界科技研究與發(fā)展，2007，29（2）：58-63.

Com parison ofmethane production of two different pH rice paddy soilsat different tem peratures

LITIFUMaierhaba,WEIMeng,QIU Qiong-fen

（SchoolofMarine Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China）

In order to study the impactof tempereture onmethane production and analyse the correlation betweenmethane emission and environment factors in different pH paddy soils,samples like an acidic sandy paddy soil(pH 4.67)and an alkaline clayey paddy soil(pH 7.88)wereanaerobicly incubated at15℃,25℃,37℃and 50℃for100 days.During the incubation the changesof the cumulantofmethane-production and soil characteristics such aspH,organic carbon and nitrogen of ammonium weremeasured.The results indicated that the cumulantand rate ofmethane production increased with the increasing temperatures in the range of 15℃-37℃and reached themaximum at37℃in both of acidic sandy paddy soil and alkaline clayey paddy soil.We also found that themethan production of acidic sandy paddy soilwhich containedmore carbon contentand high concentration of ammonium nitrogen were always higher than those in alkaline clayey paddy soilwhith the scope of 15℃-37℃,however,this phenomenonwas reversed at50℃.Under high temperature,the cumulantand rate ofmethane production in acidic sandy paddy soil droppedmuchmore obviously and fellbelow 25℃,but the changes ofmethane production in alkaline soilwere notsignificant.It indicated that the impactof high temperature was greater in sandy paddy soil.During the process of anaerobic culture,the correlation coefficients between the changes of ammonium concentration andmethane production alwaysmaintained in a relatively high value under different temperatures.However the correlation coefficients betweenmethane em ission and carbon content decreased w ith increasing temperature,which indicated that thereweremuchmore complex factors influencedmethane production in higher temperature.Compared w ith alkaline soil,the changes of pH in acidic soilatdifferent temperatureshadmore significantly influence on themethane production.

methane;rice paddy soil;temperature

R363.1

A

2095－1736（2015）03－0051－06

10.3969/j.issn.2095-1736.2015.03.051

2014-11-03；

2014-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101234）

買爾哈巴·力提甫,主要從事環(huán)境微生物分子生態(tài)的研究，E-mail:1021838627@qq.com；

裘瓊芬,主要從事微生物分子生態(tài)方面的研究，E-mail:qiuqiongfen@nbu.edu.cn。