日本东北地区稻田土壤有机质和秸秆分解的温度敏感性以及对水分的响应

日本东北地区稻田土壤有机质和秸秆分解的温度敏感性以及对水分的响应全球气候变暖是人类共同面临的严峻挑战,稻田生态系统在全球气候变暖中起着十分重要的作用。如何增强水稻秸秆还田的固碳能力和减少其引起甲烷（CH₄）大量排放的研究日益引起人们的广泛关注。本文以日本山形地区稻田土壤和¹³C、¹⁵N标记的水稻秸秆为研究对象,利用室内好氧和厌氧培养试验,模拟该地区水稻休闲期和生长期间的水热条件,研究了土壤有机质和秸秆分解对温度和水分的响应特征。此外,利用二氧化碳（CO₂）和CH₄排放量、土壤有机碳（SOC）含量变化和δ¹³C值三种方法计算了秸秆碳素在好氧和厌氧培养期间的分解率,用δ¹⁵N值计算了秸秆氮素在厌氧过程中的反硝化率,并探讨了以上几种方法的可信度。主要研究结果如下:1.24周好氧培养的结果显示,土壤温度和水分对土壤CO₂排放量具有显著的促进作用,且土壤温度和水分之间存在显著的正交互作用（P<0.01）。SOC含量和δ¹³C值随培养时间分别表现出缓慢下降和上升的趋势。温度对稻田土壤SOC含量的下降和δ¹³C值的上升具有明显的促进作用。土壤水分对24周好氧培养期间土壤的δ¹³C值始终无显著影响,而土壤水分对SOC含量的显著影响只限于好氧培养的第12周和24周。厌氧培养期间,稻田土壤中CH₄和CO₂的排放量均随前期温度的升高而显著降低（P<0.05）。这与易分解的底物在好氧培养期间,随土壤温度的升高而被大量消耗有关。前期好氧培养期间的土壤水分对CO₂的排放具有显著的影响,而对CH₄的排放无显著的影响,这可能与好氧培养期间硝态氮（NO₃^--N）的大量积累有关。±5℃的冻融过程对该地区稻田土壤CO₂和CH₄排放没有显著的影响。2.添加秸秆土壤SOC的好氧分解随土壤温度和水分的升高而显著加快（P<0.05）。秸秆的添加极大地促进了高温淹水培养条件下土壤中CH₄的排放量,表明秸秆是稻田CH₄排放的主要来源。除L5/±5处理外,其它温度和水分处理下,用生成CO₂的排放量所计算秸秆有机碳的温度敏感性系数（Q10）都要比25/15℃温度处理下的要大,表明低温（±5℃和5℃）条件下的秸秆有机碳的分解要比高温（15℃和25℃）条件下更敏感。随着前期好氧培养阶段有效底物的大量消耗,高温淹水培养条件下,添加秸秆土壤CH₄和CO₂排放量随前期好氧培养温度的升高而显著降低。这是由于前期低温处理下大量未分解的有机底物为后期30℃高温条件下产CH₄菌提供了充足的碳源和能量,后期淹水的厌氧条件使得Eh逐渐下降,也为产CH₄过程创造了有利的条件。该结果暗示在某一温度和水分范围内改善水稻休闲期秸秆还田稻田中的水热条件,可以有效减少来年水稻生长期间由秸秆所引起的CH₄排放量。用SOC含量、CO₂和CH₄排放量以及δ¹³C值三种参数所计算的水稻秸秆中碳的总分解率（好氧+厌氧）的变化范围分别为45.0%～64.2%,29.8%～48.1%和25.7%～34.4%。本研究中,由于CO₂和CH₄排放量对温度和水分的响应要比SOC和δ¹³C值更敏感,因而用其计算秸秆中碳的分解率的可信度最高。3.24周好氧培养结束后,各土壤温度和水分处理间的稻田土壤总有机氮（TN）含量无显著的差异。铵态氮（NH₄⁺-N）浓度随温度的升高和培养时间的延长而显著降低。而NO₃^--N浓度却表现为随温度的升高和培养时间的延长而显著上升,表明温度显著促进了土壤有机氮的矿化（P<0.05）。然而,水分对土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度的变化均没有显著的影响。该结果表明土壤水分对土壤有机氮好氧矿化的影响不如温度处理那样效果明显。这是由于本研究的好氧培养期间,空气充足,土层较薄（<1cm）,使得土壤水分条件的改变没有成为阻碍空气向土壤孔隙中扩散的限制因素。厌氧培养期间,±5℃和5℃下的稻田土壤有机氮的净矿化量（NH₄⁺-N生成量）明显比15℃和25℃条件下的要高,这可能是由于前期好氧培养过程中的高温条件使NH₄⁺-N更易被微生物所固持或通过硝化作用被大量转化成为NO₃^--N。高水分条件下（100%WFPS）的土壤有机氮的净矿化量比低水分条件下（60%WFPS）的要小。这表明前期好氧培养期间的高水分处理会抑制后期厌氧培养过程中土壤有机氮的矿化作用。4.添加¹⁵N标记水稻秸秆的土壤中TN含量和δ¹⁵N值随好氧培养时间的变化不明显,也不受好氧培养期间土壤温度和水分的显著影响。好氧培养期间,添加秸秆稻田土壤的NH₄⁺-N浓度随温度的升高而下降,却随水分的升高而增加。添加秸秆稻田土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度均低于对照土壤。该结果表明秸秆的添加促进了微生物对原有土壤矿质氮素的固持。厌氧培养期间,NH₄⁺-N生成量随前期温度和水分的增加而显著的升高。以上结果表明,好氧培养期间的增温和增湿处理不仅可以促进土壤微生物对添加秸秆土壤中无机氮的固持作用,同时也会促进后期高温淹水培养期间秸秆中有机氮的矿化。由于对照土样和添加秸秆土样在干燥过程中可能会发生氨化作用造成¹⁵N和¹⁴N的分馏,因而用δ¹⁵N值来计算秸秆氮素的反硝化率会高估氮素的损失,具体原因还有更待进一步的研究。综上所述,本研究结果表明休闲期的土壤温度和水分不仅会影响土壤有机质和秸秆的好氧分解,而且还会对后续的厌氧分解产生很大的影响。水分对土壤有机质和秸秆分解转化的影