不同水分条件和微生物生物量水平下水稻土有机碳矿化及其影响因子特征

稻田土壤常处于频繁的干湿交替过程中,水分条件的改变不仅影响土壤理化性质,而且使土壤微生物群落结构和多样性发生改变,进而影响土壤有机碳矿化速率.然而,不同水分条件和土壤微生物生物量水平对土壤有机碳矿化过程的影响及其机制尚不明确.因此,本研究选取典型亚热带水稻土为研究对象,采用室内模拟培养试验,设置干湿交替和持续淹水这2个水分条件,并通过氯仿熏蒸方法减少土壤微生物生物量,从而获得微生物生物量碳含量高低两个水平的土壤,探讨水分条件和微生物生物量对水稻土有机碳矿化的影响机制.结果表明在培养前30 d,干湿交替处理处在不淹水状态,其CO₂累积排放量显著低于持续淹水处理;30 d后干湿交替处理进入淹水状态,在高微生物生物量碳含量土壤中,其CO₂累积排放量和持续淹水处理的差距逐渐减小,直至78 d无显著差异;在低微生物生物量碳含量土壤中,78 d时干湿交替处理的CO₂累积排放量仍显著低于持续淹水处理.低微生物生物量碳含量土壤在培养初期（前20 d）受其高可溶性有机碳（DOC）含量影响,CO₂排放速率可达高微生物生物量碳土壤的1.1~6.1倍;在培养后期（第45~78 d）土壤有机碳矿化速率达到稳定,高微生物生物量碳土壤的稳定矿化速率比低微生物生物量碳土壤高20%~30%.多元回归分析结果表明,土壤DOC含量的减少（ΔDOC）和Fe²⁺含量的增加（ΔFe²⁺）显著影响持续淹水条件下的CO₂累积排放量的变化值（ΔCO₂）,但对干湿交替处理淹水阶段的CO₂累积排放量却无影响.相关分析结果表明,高微生物生物量碳土壤的CO₂日排放速率在干湿交替处理下与葡萄糖苷酶（BG）活性呈显著正相关,在持续淹水处理下与乙酰葡糖氨糖苷酶（NAG）和过氧化酶（PER）活性呈显著负相关;在低微生物生物量碳土壤中,CO₂日排放速率在持续淹水处理下与NAG活性呈负相关,在干湿交替处理下与酶活性无关.综上,干湿交替处理的CO₂累积排放量低于持续淹水处理,且该差异在低微生物生物量碳的土壤中显著;土壤微生物生物量大小会决定土壤有机碳稳定矿化速率水平;可溶性有机碳量和铁元素的还原量影响持续淹水条件下土壤的CO₂排放量;土壤水分条件会影响CO₂日排放速率及其关键生物酶因子.本研究为深入研究水稻土碳循环和固碳潜力提供数据和理论支持.     

CO_2倍增对稻田土壤碳氮水解酶活性的影响

为了探究CO_2倍增对土壤微生物生物量和酶活性的影响,选择亚热带区多年种植水稻的典型红壤为研究对象,对不同水稻生育期下土壤微生物生物量碳氮及其土壤碳氮转化关键酶活性:β-葡糖苷酶(β-Glu)、木聚糖酶(Xyl)和几丁质酶(N-Ac)进行了研究.结果表明:相比于常规CO_2浓度(400×10~(-6)),CO_2倍增(800×10~(-6))促进了水稻生物量及土壤微生物生物量碳氮含量,且土壤微生物生物量碳氮受水稻生育期显著影响(P0.05),在水稻孕穗期时土壤微生物生物量碳氮均达到最大值.总体上,CO_2倍增促进了土壤中β-Glu酶、Xyl酶、N-Ac酶的活性,且三种酶的活性随水稻生育期变化的趋势一致,先递增(在孕穗期的酶活性最大),随后在成熟期下降.在相同生育期和CO_2浓度下酶活性大小为:β-GluN-AcXyl.多变量方差分析表明,CO_2浓度和生育期显著影响了水稻植株生物量、土壤微生物生物量碳氮和酶活性,且土壤微生物生物量碳(SMBC)和酶活性对CO_2浓度和生育期的交互作用产生了显著的响应;而且相关性分析表明,SMBC与土壤β-Glu酶、N-Ac酶、Xyl酶活性之间均有显著的正相关.总体而言,CO_2升高可促进水稻生长,增加土壤微生物量和土壤酶活性,这种影响随水稻生育期而变化,并在水稻生育旺期(孕穗期)达到最大;而且土壤微生物生物量特别是SMBC与土壤酶活性之间具有密切关系.     

CO2倍增条件下不同生育期水稻碳氮磷含量及其计量比特征

生态化学计量比的变化特征在一定程度上可反映植物对环境条件变化适应的本质.本研究利用CO_2连续标记系统模拟大气CO_2体积分数升高(800×10-6)条件,探讨水稻各器官C、N、P含量及其计量比变化的特征.结果表明,CO_2倍增促进水稻各器官生长,并增加了根冠比.在植株生长过程中CO_2倍增可一定程度上降低不同生育期内秸秆全氮(TN)含量,同时使得水稻根系、秸秆和籽粒的C/N比值增大,降低N和提高P的利用效率.多重比较和韦恩图分析表明CO_2体积分数仅对水稻秸秆TN有着显著影响,对水稻养分含量及其计量比特征的变异解释率均为-1. 0%,即几乎不受CO_2倍增影响.在大气CO_2体积分数升高条件下,水稻各器官C、N、P含量及其计量比具有良好的计量学内稳性特征,同时在不同生育期内其计量比变化特征与"生长速率理论"相符.在农田管理措施中,可适当施加氮肥来缓解CO_2体积分数升高带来的养分平衡压力.     

不同生育期光合碳在水稻-土壤系统中的分配及输入效率

为了研究不同生育期光合碳在水稻-土壤系统中的分配与输入效率,通过盆栽试验,采用13C-CO₂脉冲标记法,定量研究水稻不同生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期)内光合碳在水稻-(根际/非根际)土壤系统中的分配及其对根际、非根际土壤有机碳的贡献.结果表明:13C-CO₂脉冲标记6 h后,水稻地上部、根系和根际土中13C的丰度最大值均出现在分蘖期,分别达到1 864.7‰、842.6‰和-8.2‰,显著高于后3个生育期.分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期这4个生育期水稻光合13C在地上部的分配比例依次增加,而在根部和根际土中的分配比例逐渐减小;不同生育期水稻光合13C在水稻-土壤系统中的总回收率为72.0%～81.0%,在籽粒中的回收率由1.8%逐渐增至40.3%,在根部和土壤中的回收率逐渐下降,表明水稻生育前期光合作用更强,能够向地下部快速输入“新碳”.水稻生长至成熟后,茎叶中光合13C的分配比例由61.0%～93.1%降至32.8%～74.1%,而在籽粒、根部和根际土中的分配比例分别增加了1～2倍,表明水稻植株在生长过程中光合碳向籽粒和地下部传输.根际沉积效率随水稻的生长逐渐由分蘖期的11.0%降至灌浆期的4.1%;光合碳对土壤有机质的贡献也逐渐减低,而且对根际土的贡献显著大于非根际土,表明水稻生长速率决定了光合碳对土壤有机碳的贡献率,而水稻根际沉积效应是根际土壤有机质获得较高光合碳贡献率的主要原因.该研究进一步量化了水稻生长期间光合碳的分配及其对土壤有机碳库的贡献,有助于深入开展水稻土有机质积累持续机制与固碳潜力研究.      

稻田土壤固碳功能微生物群落结构和数量特征

研究不同类型稻田土壤自养微生物数量和多样性差异及其影响因子,对全面认识稻田生态系统的固碳潜力及其机制具有重要意义.鉴于此,本文选取4种典型稻田土壤,通过室内培养实验对具备卡尔文循环途径碳同化微生物进行了研究.利用荧光定量PCR(qPCR)、克隆文库以及末端限制性长度多态性分析(T-RFLP)技术,研究了卡尔文循环关键酶(1,5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶Rubis CO)的2种编码基因(cbbL和cbbM)的丰度和多样性.结果表明,与培养前相比,培养45 d后碳同化自养微生物数量有所增加,cbbL基因丰度比cbbM基因高3个数量级.不同稻田土壤中碳同化功能微生物优势种群存在差异,且这些微生物大多不能归类到已知的细菌类群中,部分可归类的与变形菌和放线菌有较高相似度.RDA分析结果显示土壤有机碳(SOC)、阳离子交换量(CEC)、pH、黏粒、粉粒和砂粒含量对碳同化功能微生物群落结构有显著影响.本文的研究结果对于理解微生物在碳循环过程中的作用具有一定的科学意义,也可以为稻田土壤肥力科学化管理和构建低碳农业提供科学依据.     

长期施肥对稻田土壤微生物量、群落结构和活性的影响

以湖南省宁乡县长期定位施肥试验为平台,选取不施肥(CK)、全量化肥(NPK)、秸秆还田+化肥(ST)和有机肥+化肥(OM)这4种处理,采用磷脂脂肪酸(PLFA)技术和MicroRespTM方法,研究了长期施肥对水稻土微生物量、群落结构及活性的影响.结果表明,细菌、真菌、革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌PLFA含量均表现为OMSTNPKCK;PLFA主成分分析表明,相比CK处理,NPK、ST和OM处理中微生物的群落结构均发生了改变,特别是ST和OM处理变化更为显著.MicroRespTM结果表明,相比CK处理(1.28μg·h~(-1)),OM处理的土壤微生物对碳源平均利用率最高(1.81μg·h~(-1)),ST处理(1.19μg·h~(-1))次之,NPK处理(0.95μg·h~(-1))最低.不同施肥处理土壤微生物对不同碳源利用的偏好情况存在明显差异.当碳源底物为酮戊二酸、半乳糖和赖氨酸时,不同施肥处理土壤微生物对不同碳源利用差异十分明显.因此,长期化肥配合秸秆还田或配施有机肥显著改善土壤养分含量和土壤微生物量、微生物群落结构和活性,对于培肥地力和优化土壤微生物群落极为重要.     

土壤自养微生物同化碳向土壤有机碳库输入的定量研究：14C连续标记法

自养微生物在土壤中广泛存在,但其CO2同化能力及其向土壤碳库的输入机制尚不明确.应用14C连续标记示踪技术,选取亚热带区4种典型稻田土壤在密闭系统模拟培养,探讨了土壤自养微生物同化碳向土壤碳库的输入过程和机制及其对土壤碳库活性组分的影响.结果表明,土壤微生物具有客观的CO2同化能力.标记培养110 d后,供试土壤的14C-SOC含量范围为69.06～133.81 mg.kg-1,而14C-DOC、14C-MBC含量范围为2.54～8.10 mg.kg-1、19.50～49.16 mg.kg-1.土壤自养微生物同化碳(14C-SOC)与其微生物截留碳(14C-MBC)呈极显著的正相关关系.土壤可溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和SOC的更新率分别为5.65%～24.91%、4.23%～20.02%和0.58%～0.92%.而且,土壤自养微生物同化碳的输入对土壤活性碳组分的DOC、MBC含量变化影响较大,而对SOC影响较小.对微生物在土壤碳循环过程的基本功能的认识在本研究中得以丰富和加深.     

亚热带可变电荷土壤磷素淋失临界点及其与土壤特性的关系

选取我国亚热带地区16种典型可变电荷土壤,通过室内模拟试验测定其磷素(P)淋失临界点的Olsen-P含量,以及可能对其构成有影响的8个化学性质指标(pH、CEC、粘粒、有机质、交换性钙、镁和铁铝氧化物含量),以探讨可变电荷土壤P淋失临界点的特点及其与土壤相关性质的关系,并评价当前的P淋失潜在风险.结果表明:可变电荷土壤P淋失临界点的Olsen-P含量(56 ～ 123 mg·kg-1)差异很大,旱地土壤临界点Olsen-P含量主要集中在低值区间(＜60 mg·kg-1),而水稻土临界点Olsen-P含量集中在高值区间(＞80 mg·kg-1);旱地土壤P淋失风险高于水稻土.主成分分析显示,可变电荷土壤的pH、粘粒、CEC、有机质、交换性钙镁、氧化铁铝等化学性质同时对其临界点Olsen-P含量构成正的或负的影响.因此,临界点Olsen-P含量与单一因素的回归分析不仅不能够确切地反映临界点Olsen-P含量与这些化学性质的关系(与pH、CEC、粘粒、交换性钙镁含量无显著相关),甚至与理论上的关联相违(与氧化铁铝含量呈负相关).与以往研究结果比较,可变电荷土壤在旱作和稻作下的P淋失临界点的Olsen-P含量都普遍高于永久电荷土壤,研究的16种可变电荷土壤的实际Olsen-P含量也远低于临界点Olsen-P含量,由此推断南方地区耕作土壤的P淋失风险仍较小.     

长期秸秆还田对水稻根系碳矿化与激发效应的影响

长期秸秆还田改变水稻土环境条件,从而会影响水稻残留根系碳在土壤中的矿化和激发效应,其影响的方向和强度尚不明确.因此,基于长期定位施肥试验,采用¹³C-CO₂同位素标记技术,结合室内模拟培养试验,研究不施肥（CK）、单施化肥（CF）和秸秆还田配施化肥（CFS）这3种长期处理下,水稻根系和土壤本身有机碳的矿化特征,分析根系的激发效应的强度与方向,以及各处理CO₂释放量的来源组成.结果表明,经过120 d的室内淹水培养,根系残留（R）将CO₂累积释放量增加了617.41~726.27 mg·kg^-1.CFS+R和CF+R处理根系来源CO₂累积释放量分别为470.82mg·kg^-1和444.04 mg·kg^-1,根系的矿化率分别为18.8%和17.8%,均显著高于CK+R处理（384.19 mg·kg^-1,15.4%）.3个处理的土壤本身有机碳产生的CO₂累积排放量无显著差异,但CFS+R处理的土壤本身有机碳矿化率（4.2%）显著低于CF+R和CK+R处理（5.4%和5.8%）.CFS+R处理中根系的CO₂累积激发效应为29.6%,显著低于CK+R处理的42.5%,高于CF+R处理的14.4%.淹水水稻土CO₂累积释放量中23.47%~27.59%来源于根系,其余来源于土壤,其中,激发效应引起的CO₂释放量占比在CFS+R处理中比CK+R处理小,比CF+R处理大.综上,淹水水稻土长期秸秆还田会提高根系碳的矿化潜力,但是更有利于土壤本身有机碳的稳定.     

水稻光合同化碳向土壤有机碳库输入的定量研究:14C连续标记法

应用14C连续标记示踪技术,以当地主栽水稻品种"中优169"为供试作物,分别选取亚热带区4种典型稻田土壤,在密闭系统模拟研究水稻根际输入光合碳对土壤有机碳(SOC)及其组分的影响.结果表明,标记种植80 d后,水稻地上部和地下部的累积的总碳量范围分别为1.86～5.60 g.pot-1和0.46～0.78 g.pot-1.种植水稻后供试土壤的14C-SOC含量范围为114.3～348.2 mg.kg-1,而14C-DOC、14C-MBC含量范围为4.05～8.65 mg.kg-1、12.5～37.6 mg.kg-1.水稻生长期间内,不同土壤条件下,土壤14C-SOC与14C-水稻碳量的比率范围为5.09%～6.62%,这说明尽管不同土壤的光合生产能力不同,但根际沉积效率相似.土壤可溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和SOC的更新率分别为6.72%～14.64%、1.70%～7.67%和0.73%～1.99%.而且,水稻光合碳的分配和转化对土壤活性碳组分的DOC、MBC含量变化影响较大,而对土壤有机碳影响较小.本研究进一步量化了水稻生长期间光合碳对土壤有机碳库各组分(SOC、DOC和MBC)的贡献,为水稻土有机质积累持续机制与固碳潜力研究提供了数据支撑.