【摘要】：土壤有機碳與土壤的健康和生產力密切相關。以免耕和秸稈還田是提高土壤有機碳含量的有效措施。盡管有研究報道了不同耕作措施與秸稈還田方式對作物產量、土壤有機碳庫和微生物多樣性的影響,然而,免耕與秸稈還田下土壤有機碳庫的微生物驅動機制尚未明確。因此,研究免耕與秸稈還田對土壤有機碳庫、溫室氣體排放和微生物多樣性的影響,以及土壤有機碳庫的微生物驅動機制,具有重要意義。本研究于2012-2014年在湖北省武穴市大法寺鎮(zhèn)的試驗基地進行,以我國長江中下游典型的稻麥種植系統(tǒng)為研究對象。大田試驗采用裂區(qū)試驗設計,其中耕作措施(常規(guī)翻耕與免耕)為主區(qū),秸稈還田方式(前茬作物秸稈全量還田和秸稈不還田)為副區(qū),共有4個處理,3個重復,共計12個小區(qū),處理分別為:翻耕+秸稈不還田(Conventional intensive tillage with straw removal,CTNS)、翻耕+秸稈還田(Conventional intensive tillage with straw returning,CTS)、免耕+秸稈不還田(No tillage with straw removal,NTNS)與免耕+秸稈還田(No tillage with straw returning,NTS)。經過3年的稻麥種植,主要的試驗結果如下:(1)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表土層(0~5 cm)土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)、可溶性有機碳(Dissolved organic carbon,DOC)、微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和土壤團聚體SOC。與翻耕相比,免耕處理下土壤SOC、DOC、MBC、2~1 mm和1~0.25 mm土壤團聚體SOC含量分別提高了2.3%~15.5%、8.8%~12.6%、15.1%~39.8%、4.6%~19.9%和13.4%~14.6%。與秸稈不還田相比,秸稈還田提高了SOC、DOC、MBC、2~1 mm和1~0.25 mm土壤團聚體SOC的含量,分別為6.5%~9.5%、13.0%~29.9%、18.1%~33.3%、12.5%~17.4%和6.2%~7.0%。(2)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表層土(0~5 cm)CO_2和CH_4的累積排放量,然而對土壤N_2O排放無顯著影響。與翻耕相比,免耕處理CO_2排放量和CH_4排放量分別降低7.2%~19.8%和5.8%~19.7%。與秸稈不還田相比,秸稈還田處理CO_2排放量和CH_4排放量分別增加了9.1%~4.1%和18.6%~232.9%。(3)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表層土(0~5 cm)土壤微生物群落結構。與翻耕相比,免耕處理土壤細菌的生物量、辛普森指數和香農指數分別提高了45.4%~74.6%、2.3%~3.4%和6.1%~12.2%,然而,免耕處理革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌(G~+/G~-)和單不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸(MUFA/STFA)分別降低了12.0%~25.4%和28.2%~42.3%。與秸稈不還田相比,秸稈還田處理的土壤細菌生物量、MUFA/STFA、辛普森指數和香農指數提高了20.6%~58.1%、5.9%~30.0%、3.1%和12.8%,然而秸稈還田處理降低了G~+/G~-9.5%~20.7%。(4)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表層土(0~5 cm)土壤微生物功能多樣性。與翻耕相比,免耕處理土壤微生物的香農指數、辛普森指數和均勻度指數分別提高了1.9%~7.1%、0.3%~1.3%和1.3%~2.7%。與秸稈不還田相比,秸稈還田處理土壤微生物的香農指數、辛普森指數和均勻度指數分別增加了17.1%~25.5%、12.0%~27.5%、19.6%~33.7%、1.1%~8.8%、0.2%~1.5%和1.3%~3.8%。綜上所述,經過3年的稻麥種植,本研究發(fā)現免耕與秸稈還田是增加長江中下游稻麥種植系統(tǒng)的土壤有機碳含量的有效途徑。耕作措施與秸稈還田方式通過影響細菌群落,改變了2~1 mm土壤團聚體有機碳含量和甲烷排放,從而影響土壤有機碳含量。然而,免耕與秸稈還田下土壤(0~20 cm)有機碳庫微生物驅動機制,還需要長期定位試驗進一步研究。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S154.3;S153.6
【圖文】：

華中農業(yè)大學 2018 屆博士研究生學位（畢業(yè)）論文6圖1-1 土壤大團聚體和微團聚體形成模型（Blanco-Canqiu et al 2004）Fig. 1-1 Selected models of macro- and microaggregation of soils1.3.2 土壤團聚體對土壤有機碳的保護機制土壤有機碳在土壤中的固定主要由土壤團聚體所提供的物理、化學和物理-化學保護水平所決定的（Blanco-Canqui and Lal 2004; Six et al 2014），土壤團聚體有機碳的固定機制如圖1-2所示。物理保護為土壤大團聚體和土壤微團聚體將土壤有機碳固定在團聚體內部，化學保護則涉及到有機碳顆粒的吸附與將有機物轉化為穩(wěn)定的土

華中農業(yè)大學 2018 屆博士研究生學位（畢業(yè)）論文8圖1-2 土壤團聚體有機碳的固定機制（Blanco-Canqui and Lal 2004）Fig. 1-2 Pathways of soil organic carbon (SOC) sequestration by aggregates1.3.3 耕作措施與秸稈還田方式對土壤團聚體有機碳的影響耕作措施是影響土壤團聚體穩(wěn)定性的重要因素，免耕增加土壤有機碳的含量往往與改善了土壤的團聚體穩(wěn)定性有關（Angers 1998）。一般認為免耕增加了土壤團聚體有機碳含量（Sheehy et al 2015; Guo et al 2015）。免耕可能通過增加了土壤有機碳含量較高的土壤大團聚體含量，并且降低了土壤大團聚體的周轉速率（Du et al 2015;Sheehy et al 2015），從而增加土壤體有機碳含量。Messiga等（2011）則指出翻耕的土壤擾動，破壞了土壤的大團聚體，也使得大團聚體中的碳被釋放出來，降低了大團聚體的含量。另外，與翻耕相比，免耕促進了土壤中蚯蚓數量的增加，增強土壤的團聚性，并且促進更多的土壤有機碳被固定到大團聚體中（Giannopoulos et al 2010;Sheehy et al 2015）。秸稈還田是增加土壤碳輸入的重要措施，主要是通過形成腐殖質與促進土壤大團聚體的形成來實現增加土壤有機碳含量（Liu et al 2014; Zhao et al 2018）。很多研究表明秸稈還田促進了土壤團聚體的形成

括熱帶地區(qū)森林的采伐等，其中74%的農業(yè)系統(tǒng)溫室氣排放源于發(fā)展中國家（Gattinger et al 2014）。Tubiello等（2013）研究表明2010年農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對全球溫室氣體排放的貢獻為10~12%（圖1-3）。人類在25~50年間，土地利用方式的改變導致了向大氣排放42~78 Pg C，而農業(yè)措施的改進，可以減緩相當于其50~60%的排放。1.4.1 耕作措施與秸稈還田方式對土壤 CO2排放的影響CO2是最重要的溫室氣體，對全球溫室效應貢獻率為 76.0%（IPCC 2014）。土壤 CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要過程（Schlesinger and Andrews 2000）。農業(yè)是 CO2的主要來源，每年對全球氣候變化的貢獻約 14.0%（Vermeulen et al 2012）。土壤呼吸主要源于三個生物過程：土壤微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動物呼吸（Rochette and Flanagan 1997），其主要貢獻者為土壤微生物與植物根系呼吸（Marhanet al 2015; Zhu et al 2016; Dossou-Yovo et al 2016），其概念模型如圖 1-3 所示。很多研究表明免耕降低了土壤 CO2排放（Six et al 2000; Zhu et al 2016）。例如，Zhu 等（2016）發(fā)現與翻耕相比

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本文編號：2776990