種植不同冬季作物對(duì)稻田甲烷、氧化亞氮排放和土壤微生物的影響

唐海明，肖小平，孫繼民，湯文光，汪柯，李微艷，楊光立

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125

種植不同冬季作物對(duì)稻田甲烷、氧化亞氮排放和土壤微生物的影響

唐海明，肖小平，孫繼民，湯文光，汪柯，李微艷，楊光立

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125

研究雙季稻收獲后填閑種植不同冬季作物在其生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）的排放特征，對(duì)合理利用冬閑稻田、發(fā)展冬季作物生產(chǎn)及合理評(píng)價(jià)不同種植模式具有重要意義。采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)冬季免耕直播黑麥草、紫云英和冬閑的雙季稻田中CH4和N2O排放及其相關(guān)微生物數(shù)量變化進(jìn)行了分析。在冬季作物生長(zhǎng)期，不同冬季作物稻田CH4和N2O排放通量均顯著高于對(duì)照（冬閑），CH4和N2O排放通量均表現(xiàn)為免耕直播黑麥草＞免耕直播紫云英＞冬閑；免耕直播黑麥草和紫云英處理稻田CH4排放量分別為2.28和1.07 g·m-2，分別比對(duì)照增加241.92%和60.63%；N2O排放量分別為0.59和0.48 g·m-2，分別比對(duì)照增加71.93%和40.06%；各處理稻田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌、甲烷氧化細(xì)菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌的數(shù)量變化范圍分別為0.33×102～163.37×102cfu·g-1、11.05×103～245.68×103cfu·g-1、3.21×103～178.26×103cfu·g-1和10.47×105～198.88×105cfu·g-1，免耕直播黑麥草和紫云英處理稻田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌、甲烷氧化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于冬閑，其中免耕直播黑麥草處理稻田土壤的產(chǎn)甲烷細(xì)菌、甲烷氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量顯著高于免耕直播紫云英處理，而免耕直播紫云英處理稻田土壤反硝化細(xì)菌的數(shù)量則顯著高于免耕直播黑麥草處理。研究結(jié)果顯示，種植不同冬季作物能促進(jìn)稻田生態(tài)系統(tǒng)中CH4和N2O的排放，而這兩種氣體的排放量與稻田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌、甲烷氧化菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量變化密切相關(guān)。

雙季稻田；冬季作物；CH4；N2O；土壤微生物

大氣中溫室氣體濃度的增加是導(dǎo)致全球變暖的主要因素，甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是大氣中兩種重要的溫室氣體，對(duì)地球系統(tǒng)的能量收支和地球氣候變化有重要影響（Ghosh等, 2003）。CH4和N2O單位分子的增溫潛能分別是CO2的25和298倍(Bhatia等, 2005)，其氣體濃度分別以每年約1%和0.2%～0.3%的速度增長(zhǎng)(Verge等, 2007)。水稻是世界主要的糧食作物之一，占糧食作物面積的1/3，其生產(chǎn)過(guò)程中伴隨著CH4和N2O等溫室氣體的產(chǎn)生，稻田在全球溫室氣體的計(jì)算中具有重要作用(田光明等, 2002)。因此，稻田溫室氣體的排放是目前農(nóng)田環(huán)境的研究熱點(diǎn)。

影響稻田CH4和N2O排放的因素較多，土壤微生物是影響其排放的關(guān)鍵因素(侯愛新等, 1997)。稻田CH4排放與產(chǎn)甲烷菌及甲烷氧化菌之間有著密切的關(guān)系，影響土壤中產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的因素，均會(huì)影響稻田CH4的排放。硝化和反硝化作用是土壤N2O產(chǎn)生的主要過(guò)程(黃樹輝和呂軍, 2004)，土壤N2O的排放主要是硝化和反硝化細(xì)菌相互作用的結(jié)果(Ineson等, 1998)。目前，有關(guān)稻田CH4、N2O排放和微生物學(xué)機(jī)理的研究大多集中在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，主要在不同的種植模式、施肥制度、肥料種類、土壤類型、耕作方式、重金屬和除草劑等方面(呂琴等, 2004; 陳哲等, 2009; 譚周進(jìn)等, 2007a, 2007b; 羅蘭芳等, 2007; 馬二登等, 2010; 陳中云等, 2003; 杜宇峰和葉央芳, 2005)，對(duì)冬閑稻田溫室氣體排放的研究較少(劉惠等, 2007; 胡立峰等, 2006)，雖對(duì)不同冬季覆蓋作物在其生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)稻田CH4和N2O排放影響有初步的研究(唐海明等, 2012)，但對(duì)其微生物學(xué)機(jī)理的研究迄今未見報(bào)道。

農(nóng)田冬季覆蓋作物是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，它有利于提高土壤養(yǎng)分利用效率和農(nóng)作物產(chǎn)量、減少稻田土壤侵蝕，并且能抑制雜草生長(zhǎng)(Rittera等, 1998; Hermawan和Bomke, 1997)。若能充分利用稻田冬季和春季自然資源，可增加冬季稻田綠色作物覆蓋度，減少冬季裸露，增加單位面積生物產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳，抑制硝態(tài)氮淋溶，增加碳、氮蓄積，有利于確保糧油作物生產(chǎn)安全。為此，本文選擇南方稻區(qū)2種具有代表性的冬季作物，以冬閑-雙季稻為對(duì)照，初步探討了免耕直播黑麥草(Lolium multiflorum L.)-雙季稻、免耕直播紫云英(Astragalus sinicus L.)-雙季稻2種冬季覆蓋作物在其生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)稻田的CH4和N2O排放特征及相關(guān)功能細(xì)菌群的變化，以期闡明種植冬季覆蓋作物對(duì)冬閑稻田土壤CH4和N2O排放特征及相關(guān)功能細(xì)菌群的影響。

圖1 研究區(qū)冬季作物生長(zhǎng)期降水量和平均氣溫變化特征Fig. 1 Variation characteristics of precipitation and average temperature during growth period of winter crop in the study area

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在湖南省農(nóng)科院土壤肥料研究所實(shí)驗(yàn)網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行（28°11′58″ N, 113°04′47″ E）。試驗(yàn)土壤為第四紀(jì)紅壤母質(zhì)發(fā)育的紅黃泥。試驗(yàn)始于2004年9月，試驗(yàn)前耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分性狀為：有機(jī)碳13.3 g·kg-1，全氮1.46 g·kg-1，全磷0.81 g·kg-1，全鉀13.0 g·kg-1，堿解氮154.5 mg·kg-1，有效磷39.2 mg·kg-1，速效鉀57.0 mg·kg-1，pH值5.40。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫16.0～18.0 ℃，年均降水量1200～1700 mm，≥10 ℃活動(dòng)積溫5000～5800 ℃，無(wú)霜期260～310 d。冬季作物生長(zhǎng)期降水和平均氣溫情況見圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：冬閑-雙季稻（CK）、免耕直播黑麥草-雙季稻（T1）和免耕直播紫云英-雙季稻（T2），每處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積1.1 m2，規(guī)格為130 cm（長(zhǎng)）×85 cm（寬）×100 cm（高）。試驗(yàn)小區(qū)為防滲水泥池，設(shè)有可封堵的排水口和灌水口，具有良好的排灌設(shè)備。冬季作物黑麥草供試品種為“多花黑麥草超高”，紫云英供試品種為“寧波大橋”。冬季作物具體的肥料用量及田間管理措施見表1。

表1 雙季稻田冬季作物生長(zhǎng)期田間管理措施Table 1 Different management practices during growth period of winter crop in double cropping paddy field

1.3 土壤和氣樣采集及測(cè)定

用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法采集CH4和N2O氣體。采樣箱由5 mm厚PVC板制成，規(guī)格為30 cm×30 cm×100 cm，外部包有海綿和錫箔紙，以防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致的箱內(nèi)氣溫變化過(guò)大和作物光合作用。在冬季作物播種后，于各處理稻田安裝靜態(tài)箱底座，底座入土5 cm，底座內(nèi)分別含生長(zhǎng)的冬季作物。分別在冬季作物播種后的第2 d開始進(jìn)行氣體采集，以后每隔7 d采集1次。每次采樣時(shí)間為9:00—11:00，取樣時(shí)將采樣箱垂直安放在底座凹槽內(nèi)并用水密封，保證箱內(nèi)氣體與大氣不進(jìn)行氣體交換。箱蓋上裝有2個(gè)12 V小風(fēng)扇，采樣前將箱內(nèi)頂部風(fēng)扇打開，使箱內(nèi)氣體混和均勻。蓋箱之后的0、10、20和30 min采樣，用50 mL注射器從箱中抽取氣體，通過(guò)旋轉(zhuǎn)三通閥轉(zhuǎn)移到0.5 L氣體采樣袋，備測(cè)。

采用經(jīng)改裝的氣相色譜（Agilent 7890A，美國(guó)）和自動(dòng)進(jìn)樣器測(cè)定CH4和N2O濃度，檢測(cè)器分別是

火焰離子檢測(cè)器（FID）和電子捕獲檢測(cè)器（ECD），進(jìn)樣口溫度分別為200 ℃和330 ℃。分離材料為PQ填充柱，柱溫55 ℃。標(biāo)準(zhǔn)氣體由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供。

稻田CH4（mg·m-2·h-1）和N2O（μg·m-2·h-1）排放通量的計(jì)算公式如下（秦曉波等, 2006）：

F= ρh[273.15/(273.15+T)] dC/dt

式中：F為排放通量；ρ為CH4和N2O標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度（0.714和1.964 kg·m-3）；h為經(jīng)過(guò)水層高度調(diào)整后采樣箱頂部距水面的實(shí)際高度（m）；dC/dt為采樣過(guò)程中采樣箱內(nèi)CH4和N2O的濃度變化率；T為采樣箱內(nèi)的平均溫度（℃）。

于冬季作物生長(zhǎng)期2012年11月17日、2013年1月2日、2013年2月10日、2013年3月13日、2013年4月20日5個(gè)時(shí)期，每個(gè)小區(qū)用土鉆通過(guò)5點(diǎn)取樣法取0～20 cm土壤樣品。為避免表層土微生物受空氣的影響，去除0～5 cm土壤，選用5～15 cm處土壤剔除石礫及植物殘?bào)w等雜物，對(duì)新鮮土樣進(jìn)行土壤微生物數(shù)量的測(cè)定。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的測(cè)定，按李阜棣等(1996)的方法進(jìn)行；產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量的測(cè)定，分別按徐光輝和鄭洪元(1986)及Frans (1997)的方法進(jìn)行。

數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析采用Excel 2003軟件進(jìn)行，方差分析和多重比較采用DPS 3.11(Data Processing System for Practical Statistics)軟件進(jìn)行，多重比較采用Duncan新復(fù)極差法。

圖2 冬季作物生長(zhǎng)期不同冬季覆蓋作物下稻田CH4排放通量的動(dòng)態(tài)Fig. 2 Dynamic of CH4flux in paddy fields during growth period under different winter cover crops

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季作物生長(zhǎng)期稻田CH4排放通量的動(dòng)態(tài)

由圖2可以看出，在冬季作物生長(zhǎng)前期，由于氣溫較低，植株生長(zhǎng)緩慢，稻田表現(xiàn)為對(duì)大氣CH4微弱的吸收，表現(xiàn)為CH4匯；隨著氣溫的升高和作物的生長(zhǎng)，各處理稻田CH4排放通量逐漸增加，在次年2月中、下旬，各處理稻田CH4均出現(xiàn)了排放峰；在3月上旬，各處理稻田CH4出現(xiàn)了一個(gè)排放高峰。在冬季作物整個(gè)生長(zhǎng)期，稻田CH4的平均排放通量表現(xiàn)為免耕直播黑麥草（T1）＞免耕直播紫云英（T2）＞冬閑（CK），這可能是由于在次年2月上旬以后，由于對(duì)黑麥草進(jìn)行二次刈割，每次刈割后均追施氮肥，促進(jìn)了地上部和地下部生長(zhǎng)，植株代謝較強(qiáng)，呼吸旺盛，促進(jìn)了稻田CH4的排放。

2.2 冬季作物生長(zhǎng)期稻田N2O排放通量的動(dòng)態(tài)

圖3表明，冬閑稻田種植不同冬季覆蓋作物對(duì)稻田N2O排放具有一定影響。在冬季作物整個(gè)生長(zhǎng)期，不同處理稻田N2O排放通量表現(xiàn)為T1＞T2＞CK（圖3）。T1和T2處理均于2012年11月25日出現(xiàn)一個(gè)N2O排放高峰，這可能是由于11月1日對(duì)各種冬季作物進(jìn)行追施尿素所致；在次年2月10日，T1處理稻田出現(xiàn)了一個(gè)N2O排放高峰，這可能是由于2月4日對(duì)黑麥草進(jìn)行第一次刈割后追施尿素所致；3月13日，T1處理稻田又出現(xiàn)一個(gè)N2O排放高峰，這可能是由于3月5日對(duì)黑麥草進(jìn)行第2次刈割后施用尿素所致。

2.3 冬季作物生長(zhǎng)期稻田產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量變化

在冬季作物生長(zhǎng)期，不同冬季覆蓋作物稻田土壤的產(chǎn)甲烷細(xì)菌數(shù)量均有明顯的差異。土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量在2013年3月13日達(dá)到最大值，T1、T2和對(duì)照的產(chǎn)甲烷細(xì)菌數(shù)量分別為163.37、54.58、31.31×102cfu·g-1。各處理間稻田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量差異均達(dá)顯著差異，其中T1處理產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于T2和CK，其大小順序?yàn)門1＞T2＞CK。各處理稻田土壤甲烷氧化細(xì)菌的數(shù)量變化趨勢(shì)與土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌變化相似，T1處理甲烷氧化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于T2和CK，其大小順序?yàn)門1

＞T2＞CK（表2）。T1處理稻田的產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均顯著高于T2和CK，這可能是每次對(duì)其刈割后追施尿素，施用氮肥（尿素）后促進(jìn)了地上部和地下部生長(zhǎng)，產(chǎn)生較多根系分泌物和脫落物等為土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化細(xì)菌增加提供了相應(yīng)的底物和能源(閩航等, 1994; 蔣靜艷等, 2003)。

表2 冬季作物生長(zhǎng)期稻田某些特殊生理群的微生物數(shù)量變化Table 2 Dynamic of the number of microbes of some special physiologic groups in paddy fields during growth period under different winter cover crops

2.4 冬季作物生長(zhǎng)期稻田硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量變化

各處理稻田土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的變化如表2所示。在冬季作物整個(gè)生長(zhǎng)期，各處理土壤硝化細(xì)菌的數(shù)量變化于（3.21～178.26）×103cfu·g-1之間，土壤反硝化細(xì)菌的數(shù)量變化于（10.47～198.88）×105cfu·g-1。T1處理硝化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于T2和CK，其大小順序?yàn)門1＞T2＞CK。各處理間稻田土壤反硝化細(xì)菌的數(shù)量差異均達(dá)顯著差異，其中T2處理反硝化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于T1和CK，其大小順序?yàn)門2＞T1＞CK。在各處理中，T1處理稻田土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量均高于CK，可能是因?yàn)槊看螌?duì)其刈割后追施尿素，施用氮肥（尿素）后為土壤的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖提供了基礎(chǔ)條件，促進(jìn)其迅速生長(zhǎng)繁殖，使其數(shù)量增加，從而促進(jìn)了N2O排放通量。

圖3 冬季作物生長(zhǎng)期不同冬季覆蓋作物下稻田N2O排放通量的動(dòng)態(tài)Fig. 3 Dynamic of N2O flux in paddy fields during growth period under different winter cover crops

3 討論

3.1 冬季作物生長(zhǎng)期稻田CH4和N2O排放通量動(dòng)態(tài)

稻田CH4的排放受作物品種、施肥類型、施肥

技術(shù)、輪作方式和土壤耕作方式的影響(Schutz等, 1989; Kerdchoechuen, 2005)。白小琳等(2010)研究表明，冬閑季稻田CH4排放極少，各處理CH4排放均接近于零。本研究結(jié)果表明，冬閑稻田的CH4排放通量在晚稻收獲后表現(xiàn)為負(fù)排放或凈吸收，這與劉惠等(2007)的研究結(jié)果一致。在冬季作物整個(gè)生長(zhǎng)期，各處理稻田CH4排放通量表現(xiàn)為免耕直播黑麥草＞免耕直播紫云英＞冬閑，這可能與不同冬季作物的種類、生長(zhǎng)及生理活動(dòng)強(qiáng)弱、生物學(xué)產(chǎn)量有關(guān)(唐海明等, 2012)。在黑麥草不同生長(zhǎng)階段，由于對(duì)黑麥草進(jìn)行二次刈割，然后追施氮肥，促進(jìn)了植株地下和地上部分生長(zhǎng)，促進(jìn)稻田CH4排放量；免耕直播紫云英在不同的生長(zhǎng)階段，植株長(zhǎng)勢(shì)弱于免耕直播黑麥草，但仍能進(jìn)行正常的生理活動(dòng)，也有部分CH4排放，但其排放通量低于免耕直播黑麥草。

土壤N2O主要是由土壤微生物的硝化和反硝化過(guò)程所產(chǎn)生。作物種類不同，土壤N2O的排放量也不同。陳書濤等(2005)研究表明，作物類型顯著影響農(nóng)田N2O排放，種植作物促進(jìn)了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放。本研究中，在冬季作物生長(zhǎng)期，稻田出現(xiàn)不同的N2O排放高峰，這可能是每次對(duì)不同冬季作物施用氮肥（尿素）后為土壤硝化及反硝化的進(jìn)行提供了豐富的氮素基礎(chǔ)，使稻田釋放出大量的N2O，這與Zou等(2007)研究結(jié)論一致。不同處理稻田N2O排放通量表現(xiàn)為免耕直播黑麥草＞免耕直播紫云英＞冬閑，這可能是由于在其生育期追施了兩次氮肥，促進(jìn)了稻田N2O排放；紫云英由于植株長(zhǎng)勢(shì)較弱，雖有部分N2O排放，但其排放通量低于黑麥草處理。冬季作物在生長(zhǎng)后期，各處理稻田N2O排放通量均大于生長(zhǎng)前期，這可能是由于氣溫逐漸增加，有利于土壤微生物的活動(dòng)、冬季作物根系和地上部分生理活動(dòng)的增強(qiáng)，從而促進(jìn)了稻田N2O排放，這與O’Hara等(1985)的研究結(jié)果一致。在本試驗(yàn)中，晚稻收獲后，水稻秸稈全部移至稻田外后種植冬季作物，稻田冬閑期間無(wú)稻草覆蓋，CH4和N2O排放受秸稈還田的影響較少，耕作措施和作物的生理活動(dòng)是造成各處理CH4和N2O排放差異的主要原因。

3.2 冬季作物生長(zhǎng)期稻田CH4和N2O排放與某些特殊生理群微生物數(shù)量變化的關(guān)系

稻田CH4的生成要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，是產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌相互作用的結(jié)果，其數(shù)量和活性受許多因素的影響，如耕作制度、作物種類、土壤類型、施肥種類和方式、水分管理措施和溫度等(侯愛新等, 1997; 呂琴等, 2004; 馬二登等, 2010; 胡立峰等, 2006; 閩航等, 1994)。在本研究中，不同取樣時(shí)期測(cè)定結(jié)果表明，產(chǎn)甲烷細(xì)菌數(shù)量一般比同期測(cè)定的甲烷氧化菌數(shù)低，但冬季作物生長(zhǎng)中稻田有一定數(shù)量的CH4釋放，這表明稻田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌的甲烷形成活性高于甲烷氧化菌的甲烷氧化活性(閩航等, 1994)。同時(shí)，稻田CH4排放通量出現(xiàn)高峰時(shí)，土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量均為高值；而在稻田CH4排放通量為低峰時(shí)，土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量也較低，這表明土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量的多少與CH4排放通量高低關(guān)系密切，這與李大明等(2013)的研究結(jié)果一致。溫度是影響CH4排放通量和相關(guān)功能細(xì)菌數(shù)量的關(guān)鍵因素之一。蔡祖聰?shù)?1998)研究表明，在18～31 ℃范圍內(nèi)，稻田CH4排放通量隨土壤溫度的升高而迅速增加，還影響產(chǎn)甲烷菌本身的數(shù)量和活性。在本研究中，稻田CH4排放通量、土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化模式與氣溫變化規(guī)律相一致。各處理稻田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量大小順序與其CH4排放通量大小順序相一致，這說(shuō)明土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量的增加可能是CH4排放通量較高的原因之一。

硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在土壤中的數(shù)量分布受土壤氧化還原電位、pH、有機(jī)質(zhì)含量等（譚周進(jìn)等, 2007; 蔣靜艷等, 2003; 陳書濤等, 2005; 蔡祖聰?shù)? 1998）許多因素的影響。殷永嫻等（1996）研究證明，過(guò)高濃度的NH4+-N會(huì)抑制硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。羅蘭芳等(2007)研究表明，當(dāng)?shù)噬钍r(shí)（5 cm）普通尿素會(huì)影響硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性。譚周進(jìn)等(2007)研究認(rèn)為，長(zhǎng)期施用30%有機(jī)肥處理稻田土壤硝化細(xì)菌數(shù)量較多，施用大量有機(jī)肥（60%）處理的反硝化細(xì)菌最多。在本研究中，根據(jù)不同取樣時(shí)期測(cè)定結(jié)果表明，當(dāng)所測(cè)定的土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量均為高值時(shí)，稻田N2O排放通量出現(xiàn)高峰；而土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量較低時(shí)，稻田N2O排放通量為低峰，這表明土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的多少與N2O排放關(guān)系密切。這可能與冬季作物生長(zhǎng)階段的溫度、施肥情況、作物生理活動(dòng)的強(qiáng)弱有關(guān)，當(dāng)冬季作物施入氮肥后，氮素釋放迅速，刺激硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，為硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖提供了基礎(chǔ)條件，從而促進(jìn)了N2O排放。同時(shí)，適宜的溫度有利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)外界溫度較低時(shí)，其數(shù)量減少，N2O排放通量出現(xiàn)低峰；當(dāng)外界溫度較高時(shí)，其數(shù)量增加，N2O排放通量出現(xiàn)高峰（圖1、圖2和表2）；這說(shuō)明稻田N2O排放通量、土壤硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化模式與溫度變化規(guī)律相一致。

本研究在探明2種不同冬季覆蓋作物在其生長(zhǎng)

季節(jié)內(nèi)稻田CH4和N2O排放變化規(guī)律基礎(chǔ)上，僅定期測(cè)定了影響稻田CH4和N2O排放的產(chǎn)甲烷細(xì)菌、甲烷氧化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的變化，對(duì)其群落結(jié)構(gòu)、群落功能多樣性和其他影響因子還需作進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

不同冬季覆蓋作物對(duì)冬閑期稻田CH4和N2O排放具有明顯的影響，與冬閑稻田相比，種植冬季作物促進(jìn)了稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O的排放。在冬季作物生長(zhǎng)期，各處理稻田CH4和N2O排放通量均表現(xiàn)為免耕直播黑麥草＞免耕直播紫云英＞冬閑，這可能與不同冬季作物的生長(zhǎng)及生理活動(dòng)強(qiáng)弱、生物產(chǎn)量的差異有關(guān)。

冬閑稻田CH4排放與土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量關(guān)系密切。免耕直播黑麥草處理稻田產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于免耕直播紫云英和冬閑，大小順序?yàn)槊飧辈ズ邴湶荩久飧辈プ显朴ⅲ径e。冬閑稻田硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量多少與N2O排放關(guān)系密切。免耕直播黑麥草處理稻田土壤硝化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于免耕直播紫云英和冬閑，大小順序?yàn)槊飧辈ズ邴湶荩久飧辈プ显朴ⅲ径e。免耕直播紫云英處理稻田土壤反硝化細(xì)菌的數(shù)量均顯著高于免耕直播黑麥草和冬閑，大小順序?yàn)槊飧辈プ显朴ⅲ久飧辈ズ邴湶荩径e。

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Effects of different winter covering crops cultivation on methane and nitrous oxide emission fluxes and soil microorganism in double-cropping paddy field

TANG Haiming, XIAO Xiaoping, SUN Jimin, TANG Wenguang, WANG Ke, LI Weiyan, YANG Guangli
Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, China

Methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) are two important trace gases, which are considered to have 15-30 and 150-200 times more radioactively active than CO2, respectively. It is well known that agricultural soils are the major sources of atmospheric CH4and N2O. At present, the effect of different winter crops cultivations on CH4and N2O emission fluxes from double-cropping paddy field is unclear. So the quantitative and possible mechanisms dependence of CH4and N2O emission fluxes from double-cropping paddy field on different winter crops cultivation is still far from being understood. In the paper, the static chamber-gas chromatography (GC) technique with manual method was used to verify the effects of different winter crop treatments including no-tillage ryegrass (Lolium multiflorum L.) (T1), no-tillage Chinese milk vetch (Astragalus sinicus L.) (T2) and fallow (CK) on CH4and N2O emission from double-cropping paddy fields in subtropical regions of China and related microflora. The results showed that the flux and emission of CH4and N2O was varied with different winter crops cultivations in the order: T1＞T2＞CK, and the emission of CH4and N2O from the two treatments during the whole growth stage was more significant than that of CK (P＜0.01). T1and T2not only had the largest CH4emission (2.28 and 1.07 g·m-2) with increasing by 241.92% and 60.63%, but also had the largest N2O emission (0.59 and 0.48 g·m-2) with increasing 71.93% and 40.06% compared with CK. The results indicated that the abundance of methanogens, methanotrophs, nitrifying bacteria and denitrifying bacteria from the two treatments during the whole growth stage was more significant than that of CK. During the winter covering crops whole growth stage, the abundance of methanogens, methanotrophs, nitrifying bacteria, nitrifying bacteria was 0.33-163.37×102cfu·g-1, 11.05-245.68×103cfu·g-1, 3.21-178.26×103cfu·g-1, 10.47-198.88×105cfu·g-1, respectively. Moreover, the abundance of methanogens, methanotrophs and nitrifying bacteria from the T1during the whole growth stage was more significant than that of T2, while the abundance of denitrifying bacteria from the T2was more significant than that of T1. Our results clearly demonstrated that CH4and N2O emission from double-cropping paddy fields was significantly promoted by planting different winter covering crops in double paddy field ecosystem. The CH4and N2O emission was significantly correlated with the abundance of methanogens, methanotrophs, nitrifying bacteria and denitrifying bacteria during the whole growth stage of winter crops.

double cropping paddy field; winter covering crop; CH4; N2O; soil microorganism

S154.4

A

1674-5906（2014）05-0736-07

湖南省自然科學(xué)基金（12JJ4022）；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201103001）

唐海明（1980年生），男，副研究員，博士，主要從事耕作生態(tài)學(xué)和農(nóng)作制等方面研究。E-mail: tanghaiming66@163.com

2014-02-06

唐海明，肖小平，孫繼民，湯文光，汪柯，李微艷，楊光立. 種植不同冬季作物對(duì)稻田甲烷、氧化亞氮排放和土壤微生物的影響 [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(5): 736-742.

TANG Haiming, XIAO Xiaoping, SUN Jimin, TANG Wenguang, WANG Ke, LI Weiyan, YANG Guangli. Effects of different winter covering crops cultivation on methane and nitrous oxide emission fluxes and soil microorganism in double-cropping paddy field [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 736-742.