本文選題：~(13)C和~(15)N標(biāo)記 + 培養(yǎng)試驗　； 參考：《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：全球氣候變暖是人類共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),稻田生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變暖中起著十分重要的作用。如何增強(qiáng)水稻秸稈還田的固碳能力和減少其引起甲烷(CH_4)大量排放的研究日益引起人們的廣泛關(guān)注。本文以日本山形地區(qū)稻田土壤和~(13)C、~(15)N標(biāo)記的水稻秸稈為研究對象,利用室內(nèi)好氧和厭氧培養(yǎng)試驗,模擬該地區(qū)水稻休閑期和生長期間的水熱條件,研究了土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解對溫度和水分的響應(yīng)特征。此外,利用二氧化碳(CO_2)和CH_4排放量、土壤有機(jī)碳(SOC)含量變化和δ~(13)C值三種方法計算了秸稈碳素在好氧和厭氧培養(yǎng)期間的分解率,用δ~(15)N值計算了秸稈氮素在厭氧過程中的反硝化率,并探討了以上幾種方法的可信度。主要研究結(jié)果如下:1. 24周好氧培養(yǎng)的結(jié)果顯示,土壤溫度和水分對土壤CO_2排放量具有顯著的促進(jìn)作用,且土壤溫度和水分之間存在顯著的正交互作用(P0.01)。SOC含量和δ~(13)C值隨培養(yǎng)時間分別表現(xiàn)出緩慢下降和上升的趨勢。溫度對稻田土壤SOC含量的下降和δ~(13)C值的上升具有明顯的促進(jìn)作用。土壤水分對24周好氧培養(yǎng)期間土壤的δ~(13)C值始終無顯著影響,而土壤水分對SOC含量的顯著影響只限于好氧培養(yǎng)的第12周和24周。厭氧培養(yǎng)期間,稻田土壤中CH_4和CO_2的排放量均隨前期溫度的升高而顯著降低(P0.05)。這與易分解的底物在好氧培養(yǎng)期間,隨土壤溫度的升高而被大量消耗有關(guān)。前期好氧培養(yǎng)期間的土壤水分對CO_2的排放具有顯著的影響,而對CH_4的排放無顯著的影響,這可能與好氧培養(yǎng)期間硝態(tài)氮(NO_3~--N)的大量積累有關(guān)�！�5℃的凍融過程對該地區(qū)稻田土壤CO_2和CH_4排放沒有顯著的影響。2.添加秸稈土壤SOC的好氧分解隨土壤溫度和水分的升高而顯著加快(P0.05)。秸稈的添加極大地促進(jìn)了高溫淹水培養(yǎng)條件下土壤中CH_4的排放量,表明秸稈是稻田CH_4排放的主要來源。除L5/±5處理外,其它溫度和水分處理下,用生成CO_2的排放量所計算秸稈有機(jī)碳的溫度敏感性系數(shù)(Q10)都要比25/15 ℃溫度處理下的要大,表明低溫(±5 ℃和5 ℃)條件下的秸稈有機(jī)碳的分解要比高溫(15 ℃和25 ℃)條件下更敏感。隨著前期好氧培養(yǎng)階段有效底物的大量消耗,高溫淹水培養(yǎng)條件下,添加秸稈土壤CH_4和CO_2排放量隨前期好氧培養(yǎng)溫度的升高而顯著降低。這是由于前期低溫處理下大量未分解的有機(jī)底物為后期30 ℃高溫條件下產(chǎn)CH_4菌提供了充足的碳源和能量,后期淹水的厭氧條件使得Eh逐漸下降,也為產(chǎn)CH_4過程創(chuàng)造了有利的條件。該結(jié)果暗示在某一溫度和水分范圍內(nèi)改善水稻休閑期秸稈還田稻田中的水熱條件,可以有效減少來年水稻生長期間由秸稈所引起的CH_4排放量。用SOC含量、CO_2和CH_4排放量以及δ~(13)C值三種參數(shù)所計算的水稻秸稈中碳的總分解率(好氧+厭氧)的變化范圍分別為45.0%～64.2%, 29.8%～48.1%和 25.7%～34.4%。本研究中,由于 CO_2和 CH_4排放量對溫度和水分的響應(yīng)要比SOC和δ~(13)C值更敏感,因而用其計算秸稈中碳的分解率的可信度最高。3. 24周好氧培養(yǎng)結(jié)束后,各土壤溫度和水分處理間的稻田土壤總有機(jī)氮(TN)含量無顯著的差異。銨態(tài)氮(NH_4~+-N)濃度隨溫度的升高和培養(yǎng)時間的延長而顯著降低。而NO_3~--N濃度卻表現(xiàn)為隨溫度的升高和培養(yǎng)時間的延長而顯著上升,表明溫度顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化(P0.05)。然而,水分對土壤中NH_4~+-N和NO_3~--N濃度的變化均沒有顯著的影響。該結(jié)果表明土壤水分對土壤有機(jī)氮好氧礦化的影響不如溫度處理那樣效果明顯。這是由于本研究的好氧培養(yǎng)期間,空氣充足,土層較薄(1 cm),使得土壤水分條件的改變沒有成為阻礙空氣向土壤孔隙中擴(kuò)散的限制因素。厭氧培養(yǎng)期間,±5 ℃和5 ℃下的稻田土壤有機(jī)氮的凈礦化量(NH_4~+-N生成量)明顯比15 ℃和25 ℃條件下的要高,這可能是由于前期好氧培養(yǎng)過程中的高溫條件使NH_4~+-N更易被微生物所固持或通過硝化作用被大量轉(zhuǎn)化成為NO_3~--N。高水分條件下(100%WFPS)的土壤有機(jī)氮的凈礦化量比低水分條件下(60% WFPS)的要小。這表明前期好氧培養(yǎng)期間的高水分處理會抑制后期厭氧培養(yǎng)過程中土壤有機(jī)氮的礦化作用。4.添加~(15)N標(biāo)記水稻秸稈的土壤中TN含量和δ~(15)N值隨好氧培養(yǎng)時間的變化不明顯,也不受好氧培養(yǎng)期間土壤溫度和水分的顯著影響。好氧培養(yǎng)期間,添加秸稈稻田土壤的NH_4~+-N濃度隨溫度的升高而下降,卻隨水分的升高而增加。添加秸稈稻田土壤NH_4~+-N和NO_3~--N濃度均低于對照土壤。該結(jié)果表明秸稈的添加促進(jìn)了微生物對原有土壤礦質(zhì)氮素的固持。厭氧培養(yǎng)期間,NH_4~+-N生成量隨前期溫度和水分的增加而顯著的升高。以上結(jié)果表明,好氧培養(yǎng)期間的增溫和增濕處理不僅可以促進(jìn)土壤微生物對添加秸稈土壤中無機(jī)氮的固持作用,同時也會促進(jìn)后期高溫淹水培養(yǎng)期間秸稈中有機(jī)氮的礦化。由于對照土樣和添加秸稈土樣在干燥過程中可能會發(fā)生氨化作用造成~(15)N和~(14)N的分餾,因而用δ~(15)N值來計算秸稈氮素的反硝化率會高估氮素的損失,具體原因還有更待進(jìn)一步的研究。綜上所述,本研究結(jié)果表明休閑期的土壤溫度和水分不僅會影響土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈的好氧分解,而且還會對后續(xù)的厭氧分解產(chǎn)生很大的影響。水分對土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈分解轉(zhuǎn)化的影響不如溫度明顯。休閑期間對山形縣稻田采取適當(dāng)?shù)脑鰷卮胧┛梢杂行У販p少秸稈所導(dǎo)致來年生長期間稻田CH_4的大量排放。本研究初步揭示了溫度和水分條件對稻田土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈中碳、氮礦化的調(diào)控規(guī)律,可以為當(dāng)?shù)赝ㄟ^優(yōu)化秸稈還田的田間管理來減少CH_4排放提供一定的科學(xué)依據(jù)。
[Abstract]:The results are as follows : 1 . The results of aerobic and anaerobic culture in paddy field show that the soil temperature and moisture content have no significant effect on CO _ 2 emission during aerobic and anaerobic culture . The results of this study are as follows : 1 . The soil moisture has no significant effect on the soil temperature and moisture content during aerobic culture . The results show that the soil moisture has no significant effect on the soil CO _ 2 and CH4 emission during aerobic culture . The results showed that the content of NH _ 4 ~ + - N and NO _ 3 ~ - N increased with the increase of the temperature and the content of NH _ 4 ~ + - N in the soil . The results showed that the content of NH _ 4 ~ + - N and NO _ 3 ~ - N in the soil were significantly higher than those of control soil during aerobic culture .
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S151.9

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2067205