稻秸的不同組分對(duì)水稻土甲烷和二氧化碳排放的影響

湯宏，沈健林劉杰云王聰吳金水?，張楊珠*

稻秸的不同組分對(duì)水稻土甲烷和二氧化碳排放的影響

湯宏1，2，3，沈健林2，劉杰云2，王聰2，吳金水2?，張楊珠3*

1. 凱里學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，貴州 凱里 556011；2. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128

在水稻土中添加稻秸（稻草）的不同組分后對(duì)其甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的排放特征及土壤的微生物量碳（MBC）和可溶性有機(jī)碳（DOC）進(jìn)行了觀測(cè)，并分析其相關(guān)關(guān)系，以探討稻秸的不同組分對(duì)CH4和CO2排放的影響，揭示秸稈還田稻田溫室氣體排放的機(jī)制和來(lái)源機(jī)理，以期為合理進(jìn)行秸稈還田，減少溫室氣體排放提供科學(xué)依據(jù)。采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，向水稻土中添加稻秸的4種不同組分（原稻秸、腐解稻秸、可溶性有機(jī)物和去活稻秸），培養(yǎng)期間定期采樣分析CH4和CO2的濃度及MBC和DOC的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：添加稻秸各組分后，在培養(yǎng)的前20 d各處理CO2排放速率較高并出現(xiàn)排放高峰，在20 d后基本趨于穩(wěn)定。整個(gè)培養(yǎng)期間，CO2排放量高低順序?yàn)椋旱窘仗幚恚?.82 g·kg-1）＞可溶性有機(jī)物處理（2.24 g·kg-1）＞去活稻秸處理（1.97 g·kg-1）＞腐解稻秸處理（1.86 g·kg-1）；整個(gè)培養(yǎng)期間，各處理CH4排放速率呈現(xiàn)波動(dòng)變化，CH4排放量高低順序?yàn)椋涸窘仗幚恚?3.58 mg·kg-1）＞去活稻秸處理（75.94 mg·kg-1）＞腐解稻秸處理（57.66 mg·kg-1）＞可溶性有機(jī)物處理（20.08 mg·kg-1）。CO2排放速率與DOC、稻秸組分C/N呈顯著相關(guān)；CH4排放速率與MBC呈顯著相關(guān)。稻秸組分施入水稻土后均能顯著提高土壤CH4的排放速率和排放量，對(duì)土壤原有有機(jī)碳存在激發(fā)效應(yīng)，以原稻秸激發(fā)效應(yīng)最大；不同外源有機(jī)物對(duì)土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)不同；CO2的排放主要集中在稻秸中易分解物質(zhì)的快速分解階段；在稻秸的易分解物質(zhì)的快速分解階段和難分解物質(zhì)的緩慢分解階段，均有CH4產(chǎn)生，緩慢分解階段產(chǎn)生的CH4不容忽視。

稻秸組分；水稻土；甲烷；二氧化碳；激發(fā)效應(yīng)

引用格式：湯宏， 沈健林， 劉杰云， 王聰， 吳金水， 張楊珠. 稻秸的不同組分對(duì)水稻土甲烷和二氧化碳排放的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（7）： 1125-1133.

TANG Hong， SHEN Jianlin， LIU Jieyun， WANG Cong， WU Jinshui， ZHANG Yangzhu. Effects of Rice Straw Fraction on Methane and Carbon Dioxide Em ission from Rice Paddy Soil ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1125-1133.

秸稈作為一種寶貴的自然資源，是物質(zhì)、能量和養(yǎng)分的載體。將秸稈直接還田是當(dāng)前秸稈的一個(gè)重要用途。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年生產(chǎn)作物秸稈總量達(dá)8×108t（汪海波等，2008；畢于運(yùn)等，2010），且隨著農(nóng)作物單產(chǎn)的提高，秸稈的數(shù)量還將進(jìn)一步增加，如何利用好作物秸稈資源，是當(dāng)前一個(gè)非常重要而又亟待解決的問(wèn)題。大量研究表明，秸稈還田一方面可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的含量（黃金花等，2015；李瑋等，2014；彭華等，2016；王勝楠等，2015），另一方面將促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)CH4和CO2的排放（Bossio et al.，1999；Kemm itt et al.，2008；劉紅江等，2016；劉田，2013；M a et al.，2009；徐娜娜等，2014）。關(guān)于不同C/N有機(jī)物料施用到農(nóng)田后對(duì)溫室氣體排放的影響，已有不少研究報(bào)道（董玉紅等，2005；顧道健，2015；馬義虎等，2013；West et al.，1999；鄒建文等，2003）。用玉米秸稈及由玉米秸稈制成的不同C/N的堆肥、沼渣和黑炭還田，馬義虎等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，CH4和CO2的累積排放量存在如下關(guān)系：秸稈還田＞堆肥還田＞沼渣還田＞黑炭還田；而顧道健（2015）的研究結(jié)果與馬義虎等的研究結(jié)果存在差異。有研究表明，秸稈、菜餅、牛廄肥和豬廄肥4種不同C/N的有機(jī)物料對(duì)稻田綜合溫室效應(yīng)的影響存在差異（鄒建文等，2003）；在夏玉米季施用不同種類和不同量的有機(jī)肥，將對(duì)溫室氣體排放通量產(chǎn)生不同的影響（董玉紅等，2005）。盡管上述研究表明施用秸稈等不同C/N有機(jī)物影響溫室氣體的排放，但關(guān)于秸稈的不同組分施入水稻土后對(duì)溫室氣體排放影響的研究，還鮮見報(bào)道，且溫室氣體產(chǎn)生的特征和機(jī)制如何等尚不清楚。本研究擬通過(guò)室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，研究添加秸稈的不同組分后水稻土溫室氣體排放所產(chǎn)生的影響，以揭示秸稈還田后稻田溫室氣體排放的機(jī)制和來(lái)源機(jī)理，旨在為合理進(jìn)行秸稈還田，減少溫室氣體排放提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試土壤和稻秸

供試土壤采集于湖南省長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)的中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站內(nèi)的水稻田中（麻沙泥，Hemp sandy soil），采樣深度為0～20 cm，采樣前該地的種植作物為水稻，土壤質(zhì)地為黏壤土。土樣采集回實(shí)驗(yàn)室后置于室內(nèi)自然風(fēng)干，風(fēng)干后盛于盛土盤內(nèi)用木棍滾壓，并分別過(guò)10目、20目和100目土壤篩，用于測(cè)定其基本理化性質(zhì)，其中過(guò)20目篩的土壤主要用于培養(yǎng)試驗(yàn)。供試稻秸（用來(lái)制備稻秸的不同組分）采自于與土壤相同的田塊，所采稻秸在70 ℃下烘干至恒重，粉碎過(guò)20目篩孔后，裝入廣口瓶?jī)?nèi)備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1，稻秸不同組分的性質(zhì)及制備方法見表2。

表1　供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1　Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2　供試稻秸組分的基本性質(zhì)及制備方法Table 2　Basic properties of rice straw fraction and preparing method

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

稱取經(jīng)過(guò)預(yù)培養(yǎng)的相當(dāng)于干重400 g（裝于各處理采土培養(yǎng)瓶中）或80 g（裝于各處理采氣培養(yǎng)瓶中）的上述土壤（僅加土壤處理不加稻秸，僅加稻秸處理不加土壤），平鋪于塑料薄膜上，將各處理的添加物按表3所述的量均勻撒在土壤上，除僅加土壤處理和可溶性有機(jī)物+土壤處理外，其他各處理以原稻秸+土壤處理添加稻秸的量（每1千克土添加2.5 g原稻秸，即每1千克土添加1.013 g有機(jī)碳）為標(biāo)準(zhǔn)，按稻秸中的有機(jī)碳含量以等碳量來(lái)計(jì)算其他幾種稻秸組分的質(zhì)量（具體計(jì)算方法參考表2）；可溶性有機(jī)物以溶液的形式加入，用玻璃棒充分?jǐn)嚢杌靹蚝蟠b瓶。采集氣樣的培養(yǎng)瓶裝樣方法：將上述土壤和添加物的混合物加入容積為120 m L的塑料瓶中，并加水至土面以上2 cm。將塑料瓶置于容積為1.0 L的廣口瓶中，瓶底加少量蒸餾水，蓋塞。采集土樣的培養(yǎng)瓶裝樣方法：將土樣與添加物的混合物直接加入到容積為1.0 L的廣口瓶中，再向培養(yǎng)瓶中加入適量去離子水，使土壤處于淹水狀態(tài)，且使土面以上保持2 cm深水層。在25 ℃恒溫和黑暗條件下培養(yǎng)180 d。試驗(yàn)處理見表3。

1.3樣品采集及分析方法

采集氣樣培養(yǎng)瓶的培養(yǎng)及采樣方法：將各處理采氣培養(yǎng)瓶置于25 ℃恒溫和黑暗條件下培養(yǎng)，每處理4次重復(fù)。分別在培養(yǎng)的第0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170和180 d采集氣樣。每次采完氣樣后開塞30分鐘，并打開恒溫培養(yǎng)室的換氣扇，以保證充分換氣，換氣后再塞上橡皮塞繼續(xù)培養(yǎng)。

所采集氣體樣品中CO2和CH4的含量利用氣相色譜儀（Agilent GC6890，美國(guó)）測(cè)定。CH4和CO2檢測(cè)器為FID，載氣為高純氮?dú)猓魉?0 m L·m in-1；燃?xì)鉃闅錃猓魉?0 mL·m in-1；助燃?xì)鉃榭諝猓魉?00 m L·m in-1。測(cè)定溫度為200 ℃，柱溫為55 ℃。測(cè)定CO2的轉(zhuǎn)化器為鎳觸媒，轉(zhuǎn)化溫度為375 ℃，CO2和CH4的保留時(shí)間分別為1.40 min和1.75 m in。

采集土樣培樣瓶的培養(yǎng)及采樣方法：將各處理采土培養(yǎng)瓶置于25 ℃恒溫和黑暗條件下密閉培養(yǎng)，每處理12次重復(fù)。分別在培養(yǎng)的第0、10、20、40、70和180 d按破壞式采樣法采集土樣，每次采集12次重復(fù)中的4次重復(fù)（4個(gè)培養(yǎng)瓶），每個(gè)培養(yǎng)瓶采集樣品2次后即棄去，整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)共采集土樣6次。

培樣瓶中所采集的土壤樣品的測(cè)定指標(biāo)為土壤MBC和DOC。土壤MBC的測(cè)定采用“氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4”直接提取法（Wu et al.，1990）。土壤溶液中的DOC含量和稻秸提取的可溶性有機(jī)物溶液中的可溶性有機(jī)碳用TOC自動(dòng)分析儀（Phoenix-8000）紫外-過(guò)硫酸鉀氧化法測(cè)定。稻秸組分中的碳元素含量采用元素分析儀（Vario MAX CN，德國(guó)）測(cè)定。供試土壤基本理化性質(zhì)的分析參考《土壤農(nóng)化分析》（鮑士旦，2005）。土壤全氮含量先采用硒粉-硫酸銅-硫酸消化法得到消煮液，轉(zhuǎn)移至100 m L容量瓶定容，使用FIAstar5000流動(dòng)注射分析儀測(cè)定；土壤有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；陽(yáng)離子交換量采用乙酸銨交換法測(cè)定；土壤pH測(cè)定采用蒸餾水（土水比為1∶2.5）浸提30 m in，用Mettler-Toledo 320 pH計(jì)測(cè)定；土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，應(yīng)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。單因素方差分析多重比較采用最小顯著差異法（LSD法，Least significant difference）。

表3　培養(yǎng)試驗(yàn)處理設(shè)置及稻秸組分添加量Table 3　Incubation experiment treatments establishment and adding rate of organic carbon and rice straw fraction

2　結(jié)果與分析

2.1添加稻秸不同組分后水稻土中CH4排放特征

在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，S和RS處理CH4的排放速率一直維持在較低水平，排放速率沒有出現(xiàn)峰值（圖1）。RS+S和DRS+S處理CH4排放速率分別在培養(yǎng)的第35、50、70、90、140和160天出現(xiàn)峰值，而DOM+S處理在培養(yǎng)的第20和100天出現(xiàn)峰值，NARS+S處理在培養(yǎng)的第35、75、120和160天出現(xiàn)峰值。各處理在培養(yǎng)的前期排放速率較小，而在中期和后期排放速率較大。各處理排放速率的均值分別為（以下數(shù)值均以每千克干土計(jì)）：0.035、0.055、0.39、0.27、0.096、0.33 mg·kg-1·d-1。

在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，添加原稻秸的RS+S處理的CH4累積排放量最高（表4），添加去活稻秸的NARS+S處理的CH4累積排放量次之，僅加土壤的S處理CH4累積排放量最低。在添加腐解稻秸、可溶性有機(jī)物和去活稻秸的3個(gè)處理中以添加去活稻秸的累積排放量最高。S、RS、RS+S、DRS+S、DOM+S和NARS+S處理的CH4累積排放量分別為：7.41、10.81、83.58、57.66、20.08、75.94 mg。RS+S處理的CH4累積排放量分別為S、RS、DRS+S、DOM+S和NARS+S處理的11.3、7.7、1.4、4.2、1.1倍。

圖1　培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)甲烷排放速率動(dòng)態(tài)變化Fig. 1　Dynam ics of CH4em ission rate of soil during incubation time

表4　培養(yǎng)期內(nèi)甲烷和二氧化碳的累積排放量Table 4　Cumulative emission of CH4and CO2during the whole incubation time

圖2　培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)二氧化碳排放速率動(dòng)態(tài)變化Fig. 2　Dynamics of CO2emission rate of soil during incubation time

2.2添加稻秸不同組分后水稻土中CO2排放特征

添加稻秸不同組分后，水稻土中CO2排放速率隨培養(yǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化如圖2。在培養(yǎng)的前20 d內(nèi)，CO2的排放速率逐漸增大。在培養(yǎng)的第20天，處理RS、RS+S和DOM+S處理的CO2排放速率均出現(xiàn)第1個(gè)排放高峰，且遠(yuǎn)高于其他處理，DOM+S處理的CO2排放速率最高，為70.76 mg·kg-1·d-1，其次是RS+S處理，為63.90 mg·kg-1·d-1。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，CO2的排放速率逐漸下降，并呈現(xiàn)出比較明顯的階段性。在20 d后基本趨于穩(wěn)定，各處理CO2的排放速率波動(dòng)不大。在培養(yǎng)前期，有外源可溶性含碳有機(jī)物加入的處理（RS、RS+S和DOM+S處理）的CO2排放速率顯著高于其它處理。在相同培養(yǎng)條件下，添加稻秸不同組分后CO2排放速率存在差異，在培養(yǎng)后期，各處理CO2排放速率基本穩(wěn)定在3.87～7.90 mg·kg·d。

在180 d培養(yǎng)期結(jié)束后，各處理中以RS+S處理CO2累積排放量最高，和其它處理相比均達(dá)顯著性差異（表4）。其次為DOM+S處理，但和S、RS、DRS+S和NARS+S 4個(gè)處理的CO2累積排放量相比未達(dá)顯著性差異。添加原稻秸的RS+S處理土壤CO2-C的累積排放量為0.77 g·kg-1，分別是對(duì)照S處理和RS處理的1.49倍和1.51倍；添加低分子有機(jī)物的DOM+S處理土壤CO2-C的累積排放量為0.61 g·kg-1，分別是對(duì)照S處理和RS處理的1.18倍和1.20倍；其它4個(gè)處理S、RS、DRS+S和NARS+S土壤CO2-C的累積排放量分別為0.52、0.51、0.51、0.54 g·kg-1。

2.3添加稻秸不同組分后土壤中微生物量碳和可

溶性有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化特征

2.3.1土壤微生物量碳

圖3（a）顯示了添加幾種稻秸組分后土壤微生物量碳的動(dòng)態(tài)變化。在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，各處理SMBC含量相差不大且變化趨勢(shì)基本一致，隨著培養(yǎng)時(shí)間的后推呈現(xiàn)先增加后降低再增加的變化過(guò)程。各處理SMBC的最大值均出現(xiàn)在培養(yǎng)的第40天，最小值均出現(xiàn)在培養(yǎng)的第70天，而CO2排放速率最大值卻出現(xiàn)在第20天，各處理CH4-C的排放高峰出現(xiàn)的時(shí)間不一致，有的出現(xiàn)在培養(yǎng)的第40天前，有的出現(xiàn)在第40天后，這說(shuō)明在培養(yǎng)過(guò)程中，同一處理土壤的微生物量變化超前于或落后于土壤CH4和CO2排放速率變化，兩者在時(shí)間上沒有明顯的一致性。培養(yǎng)期結(jié)束時(shí)，NARS+S處理SMBC含量（936.4 mg·kg-1）最高，和培養(yǎng)初期含量（919.8 mg·kg-1）相比差異不大；其次是DOM+S處理（882.7 mg·kg-1），比培養(yǎng)初期含量降低了9.4%；RS+S（847.4 mg·kg-1）和DRS+S（871.2 mg·kg-1）處理比培養(yǎng)初期含量分別降低了12.4%和6.2%；對(duì)照（855.6 mg·kg-1）降幅最大，比培養(yǎng)初期降低了16.8%。

圖3　添加幾種稻秸組分土壤MBC（a）和DOC（b）含量的動(dòng)態(tài)變化Fig. 3　Dynamics of MBC （a） and DOC （b） in the soil after application of several rice straw fractions

2.3.2土壤可溶性有機(jī)碳

圖3（b）顯示了添加幾種稻秸組分后土壤可溶性碳的動(dòng)態(tài)變化。整個(gè)培養(yǎng)階段，各處理土壤可溶性碳變化趨勢(shì)較為一致，和張旭博等（2011）的研究結(jié)果較一致。在培養(yǎng)前期，呈緩慢增加趨勢(shì)，到培養(yǎng)20 d時(shí)，各處理DOC含量達(dá)到最大，而后又逐漸下降。DOC最大值出現(xiàn)在RS+S處理的第20天，含量達(dá)75.7 mg·kg-1，是對(duì)照的1.1倍。在培養(yǎng)的第20、40和70天，添加稻秸組分提高了土壤DOC的含量。RS+S和DRS+S處理DOC含量最高，其次為DOM+S處理，NARS+S處理最低。相比培養(yǎng)初期，各處理土壤DOC的含量均有一定程度的降低，以DOM+S處理DOC含量降低最多，達(dá)23.5 mg·kg-1。

2.4土壤MBC、DOC及稻秸不同組分C/N與CH4和CO2排放速率的關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明（表5），添加稻秸不同組分后，MBC含量與土壤CH4排放速率呈顯著相關(guān)（P=0.023，n=4），但與CO2排放速率的相關(guān)性不顯著，DOC濃度和稻秸組分C/N與CH4排放速率相關(guān)性不顯著（P=0.052，n=4；P=0.071，n=4），DOC濃度與土壤CO2排放速率呈顯著相關(guān)（P=0.024，n=4），稻秸組分C/N與土壤CO2排放速率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P=0.007，n=4）。說(shuō)明MBC直接影響CH4排放速率，DOC和稻秸組分C/N直接影響CO2排放速率。稻秸組分C/N與MBC含量極顯著負(fù)相關(guān)（P=0.008，n=4），與DOC濃度顯著正相關(guān)，MBC含量與DOC濃度有極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3　討論

表5　投入稻秸組分后土壤MBC、DOC及稻秸組分C/N與土壤CH4和CO2排放量之間相關(guān)性分析Table 5　The correlations between MBC， DOC and C/N of organic materials and CH4and CO2em issions rate after application of organic materials

3.1添加稻秸不同組分對(duì)CH4排放的影響

稻秸等有機(jī)物添加到土壤中后，使土壤中微生物種類和數(shù)量發(fā)生變化（Baumann et al.，2009；Blagodatskaya et al.，2009；Matsuyama et al.，2007；Moorhead et al.，2013；Rui et al.，2009；王曉玥等，2012；伍玉鵬等，2014），同時(shí)增加了可供微生物利用的碳源、氮源，有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，提高了微生物活性，從而影響CH4的排放。以往的研究表明，秸稈等有機(jī)物還田可促進(jìn)稻田甲烷排放（Bossio et al.，1999；Habib et al.，2007；Huang et al.，2014；李英臣等，2012；Suvendu et al.，2014；Watanabe et al.，1993）。本培養(yǎng)試驗(yàn)也得出類似的研究結(jié)果，添加稻秸的各組分均顯著提高了水稻土CH4的累積排放量，尤以土壤中添加原稻秸的RS+S處理最為明顯，對(duì)照S處理和RS處理在培養(yǎng)期內(nèi)CH4的累積排放量均低于RS+S處理、DRS+S處理、DOM+S處理和NARS+S處理。

有研究表明，添加外源有機(jī)物質(zhì)可激發(fā)土壤原有有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生CH4（Chidtha et al.，1997；Ye et al.， 2015）。在本研究中，RS+S處理、DRS+S處理、DOM+S處理和NARS+S處理CH4的累積排放量均高于對(duì)照S處理和對(duì)照RS處理的累積排放量之和，說(shuō)明稻秸組分可促進(jìn)土壤原有有機(jī)碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)生CH4。然而，不同的稻秸組分對(duì)土壤原有有機(jī)碳向CH4轉(zhuǎn)化的促進(jìn)程度不一。De Nobili et al.（2001）發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)的初期，復(fù)合有機(jī)外源物質(zhì)的加入比單一物質(zhì)的加入產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)大。Kuzyakov et al.（2006）發(fā)現(xiàn)如果土壤中同時(shí)存在幾種有機(jī)質(zhì)，微生物會(huì)優(yōu)先分解可利用率最高的有機(jī)質(zhì)。因此，當(dāng)土壤中的易分解碳庫(kù)被分解完后，微生物就會(huì)利用土壤中半腐殖化、腐殖化的有機(jī)質(zhì)。本研究中添加原稻秸產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)大于添加其它幾種稻秸組分，這與稻秸中既含有易被微生物利用的低分子有機(jī)物，也含有難被微生物利用的一些高分子化合物有關(guān)。DOM+S處理添加的可溶性有機(jī)物為易被微生物利用的低分子有機(jī)物，產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)所需的時(shí)間可能比較短，DOM+S處理甲烷排放主要集中在培養(yǎng)前期，后期甲烷排放速率小，加之加入的碳量也較其他幾個(gè)處理少，故其CH4累積排放量比添加其它物料的幾個(gè)處理少。呂殿青等（2007）的研究表明，外加易分解的有機(jī)質(zhì)比外加難分解的有機(jī)質(zhì)更能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)礦化的激發(fā)效應(yīng)。Fontaine et al.（2004）發(fā)現(xiàn)僅加入纖維素酶對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響很小。相比之下，加入纖維素極大地促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，表明纖維素的加入提高了能分解土壤有機(jī)質(zhì)的微生物的數(shù)量和活性，說(shuō)明纖維素等難分解的有機(jī)物質(zhì)能誘發(fā)土壤有機(jī)質(zhì)的分解，更易引發(fā)激發(fā)效應(yīng)（Fontaine et al.，2003），本研究也顯示出相似的結(jié)果。在本培養(yǎng)試驗(yàn)的后期，DRS+S處理和NARS+S處理土壤中殘存的有機(jī)物主要是一些半纖維、纖維素和木質(zhì)素，對(duì)土壤有機(jī)碳向甲烷的轉(zhuǎn)變也產(chǎn)生了持久而不可忽視的激發(fā)效應(yīng)，對(duì)甲烷累積排放量的貢獻(xiàn)率較大。但也有研究表明純纖維素不但不能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解甚至可能出現(xiàn)負(fù)激發(fā)效應(yīng)，王志明等（1998）在研究秸稈C在淹水土壤中的轉(zhuǎn)化與平衡時(shí)，觀察到土壤中加入新鮮有機(jī)C后土壤原有有機(jī)C分解速率發(fā)生改變的現(xiàn)象，土壤中加入秸稈后最初幾天出現(xiàn)正激發(fā)，之后既出現(xiàn)微弱的正激發(fā)，又出現(xiàn)負(fù)激發(fā)。

3.2添加稻秸不同組分對(duì)CO2排放的影響

180 d的培養(yǎng)試驗(yàn)表明，添加原稻秸能顯著提高土壤中CO2的累積排放量，添加腐解稻秸、可溶性有機(jī)物和去活稻秸的各處理和對(duì)照相比均沒有顯著差異。相關(guān)分析顯示，在本試驗(yàn)中施用稻秸組分的C/N和可溶性有機(jī)碳均與CO2排放量具有很好的相關(guān)性，但和土壤的微生物量碳相關(guān)性不顯著。說(shuō)明添加稻秸較其它幾種組分更能增加土壤中可供微生物直接利用的有機(jī)碳源，從而增加CO2累積排放量，可溶性有機(jī)碳含量的增加是導(dǎo)致CO2累積排放量增加的重要原因（戴萬(wàn)宏等，2002；李夢(mèng)雅等，2009）。

眾多研究表明（Bell et al.，2003；Kuzyakov et al.，2000；苗淑杰等，2014），外源有機(jī)物質(zhì)加入土壤促進(jìn)了土壤原有有機(jī)C的礦化，這一現(xiàn)象被稱之為“激發(fā)效應(yīng)”。但外加有機(jī)物對(duì)土壤原有有機(jī)C礦化的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間因有機(jī)物的C/N等化學(xué)性質(zhì)不同而不同（劉四義等，2015；王若夢(mèng)等，2013；袁淑芬等，2015）。本研究中，各處理CO2的排放主要集中在培養(yǎng)的前中期，在培養(yǎng)的后期CO2排放較少，也說(shuō)明稻秸不同組分對(duì)水稻土原有有機(jī)C礦化的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間存在差異。

DRS+S處理和NARS+S處理CO2的累積排放量和S處理相比無(wú)明顯差異，表明腐解稻秸和去活稻秸對(duì)土壤原有有機(jī)碳分解有微弱的正激發(fā)效應(yīng)或微弱的負(fù)激發(fā)效應(yīng)。DOM+S處理CO2的累積排放量稍高于對(duì)照S處理，表明可溶性有機(jī)物對(duì)土壤原有有機(jī)碳分解產(chǎn)生了激發(fā)效應(yīng)。Bingemann et al.（1953）的研究也表明，新鮮的低分子有機(jī)C的加入為微生物提供了能量和營(yíng)養(yǎng)元素，提高了微生物活性，從而加速了土壤有機(jī)C的礦化，產(chǎn)生了激發(fā)效應(yīng)。Vanlauw et al.（1994）以玉米葉中的纖維素部分和未經(jīng)處理的玉米葉作為有機(jī)物料，按等纖維量添加到土壤中，比較植物可溶部分對(duì)纖維部分分解的影響，發(fā)現(xiàn)含有可溶部分的原玉米葉能誘發(fā)更激烈的激發(fā)效應(yīng)，其活性部分在2 d內(nèi)就幾乎被分解完，而纖維部分最大分解速率有明顯的滯后期，結(jié)果表明植物體中的活性部分既能促進(jìn)植物纖維素部分分解，同時(shí)也可對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)。本研究各處理中以RS+S處理CO2的累積排放量最高，原秸稈既能促進(jìn)秸稈中纖維素部分分解，又能激發(fā)土壤原有有機(jī)碳分解?？梢?，只有當(dāng)有機(jī)物料中含有可溶性組分時(shí)才能對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，纖維素等難分解組分對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解無(wú)明顯的激發(fā)效應(yīng)。

4　結(jié)論

（1）添加秸稈處理CH4累積釋放量最高，對(duì)土壤原有有機(jī)碳向CH4的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)最大；添加腐熟秸稈、去活稻秸和可溶性有機(jī)物各處理CH4的累積排放量明顯高于S處理，對(duì)土壤原有有機(jī)碳向CH4的轉(zhuǎn)化都存在一定的激發(fā)效應(yīng)。

（2）添加原稻秸處理CO2累積排放最高，稻秸對(duì)土壤原有有機(jī)碳分解的激發(fā)效應(yīng)大；添加可溶性有機(jī)物處理CO2的累積排放量高于S處理，對(duì)土壤原有有機(jī)碳的分解產(chǎn)生一定的激發(fā)效應(yīng)；添加腐熟稻秸和去活稻秸處理CO2的累積排放量和S處理無(wú)顯著差異，對(duì)土壤原有有機(jī)碳分解的激發(fā)效應(yīng)不明顯。

（3）土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)對(duì)不同外源有機(jī)物的響應(yīng)不同；CO2的排放主要集中在稻秸中易分解物質(zhì)的快速分解階段；在稻秸中易分解物質(zhì)的快速分解階段和難分解物質(zhì)的緩慢分解階段，均有CH4產(chǎn)生，緩慢分解階段產(chǎn)生的甲烷不容忽視?？扇苄杂袡C(jī)物是產(chǎn)CH4菌最直接的底物，但難腐解組分在其腐解過(guò)程中也能為產(chǎn)CH4菌提供底物而產(chǎn)生CH4。

綜上所述，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中稻秸直接還田會(huì)增加CO2和CH4的排放，把稻秸腐解后再還田可有效減少CO2和CH4的排放。因此，選擇合理的秸稈還田方式是緩解大氣CO2和CH4濃度升高的重要途徑，稻秸腐解后還田是稻秸較好的還田方式且簡(jiǎn)單易行。

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Effects of Rice Straw Fraction on M ethane and Carbon Dioxide Em ission from Rice Paddy Soil

TANG Hong1，2，3， SHEN Jianlin2， LIU Jieyun2， WANG Cong2， WU Jinshui2， ZHANG Yangzhu3
1. College of Environment and Life Science， Kaili University， Kaili 556011， China；2. Key Laboratory of Agro-ecology Processes in Subtropical Region， Institute of Subtropical Agriculture， Chinese Academy of Sciences，Changsha 410125， China；3. College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China

The effects of different fraction of rice straw app lication on the em ission of methane （CH4） and carbon dioxide （CO2） and the change of soil microbial biomass carbon （MBC） and soil dissolvable organic carbon （DOC） were studied in an incubation experiment. Their relationships were analyzed， in order to reveal the effects of rice straw fraction on CH4and CO2em ission， to reveal the mechanism of the greenhouse gas em ission and the source of greenhouse gas ， to provide scientific basis for reasonable applying rice straw and reducing greenhouse gas em ission.An incubation experiment was designed to study the dynam ics of MBC， DOC， CH4and CO2concentration after application of four rice straw fraction（original rice straw， decomposed rice straw， dissolvable organic material， non-active ingredient rice straw）. Results showed that CO2em ission rate of all treatments increased and occurred peak after application of the rice straw fraction， and then （after 20 days） tended to be stabilized. During the incubation， cumulative em ission rate of CO2was followed the following order： rice straw （2.82 g·kg-1） ＞ dissolvable organic material （2.24 g·kg-1） ＞ non-active ingredient rice straw （1.97 g·kg-1） ＞ decomposed rice straw （1.86 g·kg-1）. CH4em ission rate of all treatments varied w ith time. During the incubation， cumulative em ission rate of CH4was followed the follow ing order： rice straw （83.58 mg·kg-1） ＞ non-active ingredient rice straw （75.94 mg·kg-1） ＞ decomposed rice straw （57.66 mg·kg-1） ＞ dissolvable organic material （20.08 mg·kg-1）. There were significant correlations among DOC， organic materials C/N and CO2em ission rate， and significant correlations among MBC and CH4emission rate. CH4em ission rate and amount were significantly enhanced due to application of rice straw fraction. Addition of organic materials may accelerate soil native organic carbon decomposition and produce prim ing effect， and the prim ing effect of rice straw was higher than that of other rice straw fraction. There were existing different priming effects of exogenous organic materials；CO2em issions were mainly concentrated at the stage of rapid decomposition of readily decomposable materials in rice straw； There are CH4emissions at the fast decomposition stage of readily decomposable materials and slow decomposition stage of decay-resistant materials. CH4em ission at the slow decom position stage cannot be neglected.

rice straw fraction； paddy soil； methane； carbon dioxide； priming effect

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.005

S152.6； X144

A

1674-5906（2016）07-1125-09

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41101247）；凱里學(xué)院獲得博士學(xué)位（引進(jìn)教授）教師專項(xiàng)課題（BS201334）

湯宏（1974年生），男，副教授，博士，主要從事土壤化學(xué)與生態(tài)環(huán)境，土壤肥力方面的研究工作。E-mail： 13077315255@126.com *通信作者

2016-04-05