土壤動(dòng)物活動(dòng)對(duì)農(nóng)田溫室氣體(CO-,2-、N-,2-O)排放的影響.pdf

1、土壤微量氣體代謝是地球各圈層相互作用的重要研究?jī)?nèi)容。土壤圈，生物圈以及大氣圈之間通過碳(C)、氮(N)等元素循環(huán)及動(dòng)力學(xué)過程相互作用，形成有機(jī)連續(xù)體，土壤生物是地球化學(xué)過程(生物小循環(huán))的驅(qū)動(dòng)者，調(diào)控微量氣體代謝(例如溫室氣體的生成、消耗及傳輸?shù)?，進(jìn)一步在大尺度上影響大氣環(huán)境及全球氣候變化。蚯蚓是分布非常廣泛的土壤動(dòng)物，在溫帶土壤無脊椎動(dòng)物中其生物量最大，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的大型土壤動(dòng)物之一.但是，關(guān)于土壤動(dòng)物特別是蚯蚓對(duì)農(nóng)田生

2、態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體排放影響的研究尚不多見。 本論文主要通過田間的盆栽試驗(yàn)，輔以微系統(tǒng)的培養(yǎng)試驗(yàn)研究了在相同環(huán)境條件下，接種蚯蚓對(duì)農(nóng)田CO2和N2O排放的影響，以及作物秸稈不同的施入方式下(混施和表施)蚯蚓和秸稈對(duì)稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)中CO2和N2O排放的綜合影響、相關(guān)過程和可能機(jī)理.此外，通過原位富化獲得不同密度食微線蟲并接種蚯蚓的培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了線蟲和蚯蚓在微系統(tǒng)中對(duì)微量氣體代謝的貢獻(xiàn)及其相互作用，旨在進(jìn)一步闡明土壤食微線蟲和蚯蚓

3、的相互作用及其對(duì)溫室氣體排放的影響. 試驗(yàn)結(jié)果表明： (1)在施用秸稈并接種蚯蚓(赤子愛勝蚓，Eisenia foetida)的微系統(tǒng)試驗(yàn)中，21天的培養(yǎng)期內(nèi)，蚯蚓活動(dòng)顯著提高了土壤CO2和N2O的排放量。與原土處理相比，單接種蚯蚓處理與單施加秸稈的處理導(dǎo)致CO2排放量分別增加了60％和1.35倍，N2O排放量增加了1.06倍和3.94倍，與單施加秸稈的處理相比，接種蚯蚓并施加秸稈的處理導(dǎo)致CO2和N2O排放分別增加

4、了41％和45％.由于蚯蚓的直接排放量在該微系統(tǒng)中占有較大比例，當(dāng)蚯蚓的直接排放量被扣除后，我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)在未施加秸稈時(shí)，蚯蚓的存在并未導(dǎo)致CO2和N2O排放量的顯著增加；而施加秸稈后，接種蚯蚓使CO2和N2O的累積排放量增加了21％和25％，均達(dá)到顯著水平(p<0.05).微系統(tǒng)中，蚯蚓取食秸稈并促使更多的秸稈分解轉(zhuǎn)化，為CO2和N2O的產(chǎn)生提供了更多可利用的C、N源。施用秸稈顯著提高了土壤微生物生物量，而單接種蚯蚓處理的土壤微生物生物

5、量相比對(duì)照反而降低，土壤呼吸作用的加強(qiáng)不能單純的歸因于土壤微生物量的增加。接種蚯蚓使NO3--N含量增加更顯著，不同處理土壤礦質(zhì)氮的分異主要取決于NO3--N含量的變化，與NH+-N相比，NO3--N含量對(duì)土壤N2O排放的影響似乎更為顯著。 (2)不同土壤線蟲密度下接種蚯蚓(赤子愛勝蚓，Eisenia foetida)的15天培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤動(dòng)物對(duì)土壤溫室氣體(CO2和N2O)排放有顯著促進(jìn)作用。與滅線處理相比，高密度線

6、蟲處理與高密度線蟲加蚯蚓處理的CO2排放量分別增加了4.4倍和5.3倍，N2O排放量增加了1.8倍和2.7倍.接種蚯蚓在高密度線蟲土壤中較接種在低密度線蟲土壤中的CO2和N2O排放量分別增加了13％和28％，均達(dá)到顯著水平(p<0.05).不同密度線蟲土壤中CO2和N2O排放的差異顯著，CO2和N2O排放量的變化顯示出線蟲在溫室氣體代謝過程中具有顯著作用.兩種氣體的排放速率與土壤DOC濃度相關(guān)，微系統(tǒng)土壤中更高的DOC含量預(yù)示著土壤微量

7、氣體的代謝活動(dòng)加強(qiáng)?？鄢球局苯拥呐欧帕亢?，蚯蚓并沒有產(chǎn)生更高的CO2排放量，但是當(dāng)與未接種蚯蚓的對(duì)應(yīng)處理相比，蚯蚓接種在高密度線蟲土壤中時(shí)仍然顯著提高了N2O的排放量，土壤動(dòng)物之間的相互作用及其對(duì)微生物種類特性的影響也是決定溫室氣體排放的重要原因。 (3)通過田間試驗(yàn)，研究了秸稈不同施用方式以及接種蚯蚓(威廉腔環(huán)蚓，Metaphire guillelmi)對(duì)稻麥輪作土壤中CO2排放通量的影響.稻季和冬小麥栽培季節(jié)中，CO2累

8、積排放量最大的均為混施秸稈處理，分別為1.60 kg·m-2和2.11kg·m-2，其平均排放速率為596.2 mg·m-2·h-1和540.6 mg·m-2·h-1.未加入秸稈和蚯蚓的對(duì)照處理累積排放量和排放通量均最低，平均排放速率為417.2 mg·m-2·h-1(稻季)和352.8 mg·m-2·h-1(麥季).相比對(duì)照處理，秸稈處理(混施或表施)在整個(gè)生育期內(nèi)顯著提高了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放通量，不同秸稈施用方式CO2的排放有

9、差異。稻季混施秸稈較表施秸稈增加了20％的CO2排放量，顯著高于麥季的11％，表施秸稈有助于減少農(nóng)田土壤CO2排放量。蚯蚓的作用相對(duì)復(fù)雜：在稻季和麥季栽培的早期(前1個(gè)月內(nèi))，蚯蚓顯著促進(jìn)了CO2的排放。而在整個(gè)生育期內(nèi)，表施秸稈加蚯蚓處理較表施秸稈處理未有明顯差異；在混施秸稈的情況下，蚯蚓的存在甚至降低了麥季農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放通量(p<0.05).在相對(duì)長(zhǎng)期的試驗(yàn)中，蚯蚓活動(dòng)增加了土壤有機(jī)碳庫，與初期的物理擾動(dòng)增加CO2排放不同

10、的是，蚯蚓最終減少了土壤中C-CO2的逸失。通過相關(guān)性分析，我們發(fā)現(xiàn)SOC、全氮和CO2排放量呈極顯著正相關(guān)，但MBC和DOC沒有表現(xiàn)出與CO2排放量的顯著相關(guān)性.試驗(yàn)結(jié)果表明，DOC與MBC不適合作為土壤有機(jī)碳長(zhǎng)期累積性變化的指標(biāo)，考慮到微系統(tǒng)中溫室氣體的排放速率與土壤DOC濃度相關(guān)，或許DOC適合指示短期瞬時(shí)的變化。 (4)通過田間試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了秸稈不同施用方式以及接種蚯蚓(威廉腔環(huán)蚓，Metaphire guille

11、lmi)對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放通量的影響。結(jié)果顯示不論采用何種秸稈還田方式(混施或表施)，施加秸稈和接種蚯蚓均能增加N2O的排放量，在秸稈表施情況下，接種蚯蚓處理在整個(gè)稻麥輪作生長(zhǎng)季N2O的累積排放量達(dá)到最高的29.20 kg·hm-2，平均排放速率為439.2μg·m-2·h-1；對(duì)應(yīng)的不接種蚯蚓處理為24.13 kg·hm-2，平均排放速率為362.9μg·m-2·h-1，兩者差異極顯著(p<0.01)。在秸稈混施時(shí)，接種蚯蚓后的

12、處理N2O累積排放量為29.11 kg·hm-2，而不接種蚯蚓的對(duì)應(yīng)處理N2O累積排放量為26.90 kg·hm-2，兩者在稻季和麥季栽培后期均沒有表現(xiàn)出顯著性差異，表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中蚯蚓對(duì)N2O排放的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在促進(jìn)秸稈混入土壤，從而加快N的分解和N2O的排放。養(yǎng)分富集過程(NEP)較腸道關(guān)聯(lián)過程(GAP)更好的解釋了接種蚯蚓后土壤所表現(xiàn)出的生態(tài)效應(yīng)。稻、麥兩季觀測(cè)結(jié)果表明，接種蚯蚓處理土壤N的礦化作用加強(qiáng)，礦質(zhì)N含量提高，銨態(tài)氮含

13、量比較穩(wěn)定，硝態(tài)氮含量顯著提高，其中表施秸稈接種蚯蚓處理硝態(tài)氮含量比未接種處理提高了20.1％(p<0.01)，混施秸稈接種蚯蚓使硝態(tài)氮含量較未接種處理提高了11.7％.相關(guān)分析表明，硝態(tài)氮含量與N2O排放密切相關(guān)，接種蚯蚓后N2O排放潛力的提高可能與蚯蚓活動(dòng)促進(jìn)土壤氮素礦化特別是硝態(tài)氮含量的增加有關(guān). 微系統(tǒng)和田間的試驗(yàn)結(jié)果表明，在短時(shí)間內(nèi)，蚯蚓和線蟲對(duì)土壤CO2和N2O排放具有促進(jìn)作用；在田間條件下，蚯蚓對(duì)土壤CO2排放的