蚯蚓作用下不同C/N秸稈還田對(duì)土壤CO2及N2O排放的影響

王爭(zhēng)妍，雷紫煙，葉志雄，伍玉鵬，2*

蚯蚓作用下不同C/N秸稈還田對(duì)土壤CO2及N2O排放的影響

王爭(zhēng)妍1，雷紫煙1，葉志雄1，伍玉鵬1，2*

（1．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；2．農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

為探討蚯蚓作用下不同C/N秸稈還田對(duì)土壤CO2及N2O排放的影響，利用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，選取不同C/N的四種秸稈（油菜餅、玉米葉、水稻秸、玉米稈）為材料，以無秸稈的處理為對(duì)照，比較有、無蚯蚓（Metaphire guillelmi）作用下不同秸稈施入土壤后的CO2及N2O排放規(guī)律。為期60 d的培養(yǎng)顯示，無論添加何種秸稈，土壤CO2和N2O的累積排放量均不同程度增加，且CO2排放系數(shù)（EFs-C）與秸稈C/N呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.827 3）。蚯蚓活動(dòng)刺激了土壤CO2和N2O的產(chǎn)生，接種蚯蚓后的油菜餅、玉米葉、水稻秸、玉米稈和對(duì)照處理CO2累積排放量較相應(yīng)的無蚯蚓處理分別增加了0.3、0.5、0.9、1.0、1.8倍，N2O累積排放量較相應(yīng)的無蚯蚓處理分別增加了1.4、1.7、1.7、1.4、9.5倍。然而，進(jìn)一步的分析顯示，蚯蚓提高了低C/N油菜餅處理的N2O排放系數(shù)（EFs-N），卻降低了其他秸稈處理的EFs-N。此外，低C/N油菜餅混入土壤后在培養(yǎng)前期即產(chǎn)生了較高含量的無機(jī)氮和可溶性碳，而其余秸稈混入土壤后卻導(dǎo)致無機(jī)氮含量低于對(duì)照處理；雖然接種蚯蚓在培養(yǎng)后期緩慢增加了高C/N秸稈處理的無機(jī)氮，但仍低于無秸稈的蚯蚓對(duì)照處理。研究表明，接種蚯蚓和施入秸稈均能促進(jìn)土壤CO2及N2O的排放，但蚯蚓作用下不同秸稈施用對(duì)EFs-N的影響卻可能因秸稈C/N的不同而產(chǎn)生差異。

蚯蚓；秸稈還田；C/N；二氧化碳；氧化亞氮

秸稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品，含有豐富的碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，還田后能夠在土壤微生物的作用下腐解并形成腐殖質(zhì)，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)及土壤生物學(xué)特性[1-2]。因此，秸稈還田在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

雖然秸稈還田有利于農(nóng)田土壤改良，但也極易導(dǎo)致土壤CO2和N2O等溫室氣體排放的增加[3-4]。已有的研究指出，秸稈還田主要通過增強(qiáng)土壤呼吸作用來促進(jìn)CO2的排放，特別是對(duì)于低C/N的秸稈來說，其腐解速度更快，進(jìn)入土壤后能夠刺激微生物迅速繁殖并排放出更多的CO2[5-6]。秸稈還田在促進(jìn)土壤呼吸的同時(shí)加速了土壤中氧氣的消耗，并形成一個(gè)適宜于反硝化作用的厭氧環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致土壤N2O排放的增加[3]。但一般來說，高C/N秸稈還田導(dǎo)致的N2O排放要少于低C/N的秸稈[3]。這是因?yàn)榻斩扖/N較高時(shí)，表現(xiàn)為碳源相對(duì)過剩、氮源相對(duì)缺少，從而刺激土壤微生物去吸收另外的氮源以滿足其生物體的合成需要，加劇了土壤異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)硝化細(xì)菌對(duì)土壤中NH+4的競(jìng)爭(zhēng)[3，5，7]。

蚯蚓是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最典型的大型土壤動(dòng)物之一，能夠通過破碎、取食、消化、掘穴等一系列生命活動(dòng)加速秸稈的腐解過程，促進(jìn)新鮮秸稈殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化[8-9]。尤其是蚯蚓腸道內(nèi)較高的酶活（如纖維素酶），能夠?qū)⒁恍╇y分解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易利用的有機(jī)物，并隨蚓糞排除體外，便于微生物更好地利用[10-11]，進(jìn)而明顯提高低質(zhì)量秸稈（高C/N、高木質(zhì)素和多酚含量）的腐解速度[12-13]。此外，蚯蚓在吞食-排泄過程中充分混合有機(jī)質(zhì)與土壤，促進(jìn)了表層秸稈碳向土壤深層的轉(zhuǎn)移，并最終通過增強(qiáng)土壤養(yǎng)分循環(huán)和周轉(zhuǎn)速率來提高土壤肥力[14-16]。因此，在秸稈還田時(shí)輔以蚯蚓處理，可顯著加快秸稈（尤其是高C/N秸稈）的腐解過程，促進(jìn)表層秸稈殘?bào)w向深層土壤腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化秸稈還田下的土壤培肥作用。

綜上所述，輔以蚯蚓處理能夠加快還田秸稈的腐解過程，強(qiáng)化秸稈還田對(duì)土壤的培肥作用。秸稈C/N是影響不同秸稈還田后土壤產(chǎn)生CO2、N2O的主要因素之一，但蚯蚓作用下不同C/N秸稈還田對(duì)土壤CO2及N2O排放的影響卻并不清楚。因此，本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，選取不同C/N的四種秸稈（油菜餅、玉米葉、水稻秸、玉米稈）為材料，比較有、無蚯蚓存在下不同秸稈混入土壤后的CO2、N2O排放變化，并結(jié)合土壤無機(jī)氮和可溶性碳含量的變化探討其作用機(jī)理。研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步揭示還田秸稈在土壤生物作用下對(duì)土壤溫室氣體排放的影響，亦能夠?yàn)椴煌愋徒斩掃€田過程中土壤生物的管理與利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試土壤采集自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜試驗(yàn)田（114°21′34″E，30°28′47″N）0～30 cm土層。土壤采集后挑出大石塊、植物根茬等雜物，過5 mm篩，混勻并加入去離子水，調(diào)節(jié)含水率使其與土壤采集時(shí)的含水率（52%WFPS）一致，置于25℃下預(yù)培養(yǎng)7 d，以消除在后續(xù)試驗(yàn)中因土壤濕度改變對(duì)土壤微生物造成的影響。在實(shí)驗(yàn)開始前土壤總有機(jī)碳（TOC）含量為13.95 g·kg-1，全氮（TN）含量為1.25 g·kg-1，可溶性有機(jī)碳（DOC）含量為35.89 mg·kg-1，無機(jī)氮（NH4+-N與NO3--N之和）含量為27.49 mg·kg-1。

蚯蚓與土壤采自同一片蔬菜田，挖掘手撿法挑選性成熟且大小一致的優(yōu)勢(shì)種Metaphire guillelmi帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行馴化培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)開始前利用濾紙法排空蚯蚓腸道，并用蒸餾水對(duì)蚯蚓體表進(jìn)行沖洗。

油菜、玉米和水稻均是當(dāng)?shù)爻Ｒ娮魑镱愋停虼吮狙芯窟x擇油菜餅、玉米葉、水稻秸和玉米稈為供試作物秸稈，其C/N為7.3～52.1不等。選擇油菜餅作為實(shí)驗(yàn)材料是因?yàn)槠漭^低的C/N，油菜餅雖然并非嚴(yán)格意義上的秸稈，但其是來源于農(nóng)作物的副產(chǎn)物，且在部分地區(qū)確有農(nóng)戶用油菜餅還田，因此本研究也將其歸為作物秸稈。作物秸稈采集后60℃烘干，并粉碎過篩，其總碳（TC）、總氮（TN）、木質(zhì)素、多酚含量及C/N見表1。

表1 不同秸稈的總碳、總氮、木質(zhì)素、多酚含量及C/NTable 1 The total C，total N，lignin，polyphenols contents and C/N of incorporated crop residues

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用玻璃瓶在室內(nèi)進(jìn)行恒溫培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。在800 mL的玻璃瓶中放入482 g鮮土（折合400 g風(fēng)干土），并分別混入4 g（土壤干重的1%）不同的秸稈，隨后按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在相應(yīng)的玻璃瓶中接種3條蚯蚓（約0.99 g·條-1、180條·m-2）。本實(shí)驗(yàn)共計(jì)8個(gè)處理，分別為油菜餅+蚯蚓（ERC）、油菜餅（RC）、玉米葉+蚯蚓（ECL）、玉米葉（CL）、水稻秸+蚯蚓（ERS）、水稻秸（RS）、玉米稈+蚯蚓（ECS）、玉米稈（CS）。同時(shí)設(shè)置不施用任何秸稈的處理作為對(duì)照（有蚯蚓ECK及無蚯蚓CK），每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。本研究中接種的蚯蚓密度對(duì)于耕地土壤來說偏高，但接種較高密度的蚯蚓能夠通過加快對(duì)土壤和秸稈的作用過程而在一定程度上抵消短期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)帶來的影響，同時(shí)也有研究報(bào)道,土壤中蚯蚓密度可高達(dá)277條·m-2[17]。

每個(gè)玻璃瓶均用黑色塑料袋進(jìn)行遮光處理，同時(shí)利用橡皮筋將瓶口用帶有小孔（1.5 mm）的塑料薄膜封住，在防止蚯蚓逃逸的同時(shí)也保證瓶?jī)?nèi)與外界有良好的氣體交換。整個(gè)培養(yǎng)裝置放于（25±2）℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)60 d。在培養(yǎng)過程中利用數(shù)據(jù)采集器（Em50G+ECH2O土壤水分傳感器，Decagon，美國）對(duì)土壤含水量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并通過稱重法對(duì)土壤含水率進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持穩(wěn)定。

1.3 取樣及測(cè)定

1.3.1 氣體

培養(yǎng)開始的前10 d每天采集一次氣體，接下來的第11～25 d每?jī)商觳杉淮螝怏w，之后每周采集一次氣體直到培養(yǎng)結(jié)束。采集氣體時(shí)，先利用風(fēng)扇給玻璃瓶通風(fēng)30 min，用帶三通閥的注射器采集瓶口附近的氣體用于計(jì)算背景值，而后用帶橡膠管的膠塞塞緊玻璃瓶口，夾緊橡膠管，密閉狀態(tài)下培養(yǎng)1 h后，利用注射器連接橡膠管，打開夾子，抽取瓶中氣體。氣體采集后在當(dāng)天用氣相色譜儀（GC-7890A，Agilent，美國）進(jìn)行CO2和N2O的濃度分析。

1.3.2 土壤

在培養(yǎng)開始后的第6、12、18、30、60 d分別采集土樣。土壤取樣均在氣體采樣完成后進(jìn)行，利用土鉆（直徑1 cm）從土壤表面向瓶底垂直取樣，盡量避免土壤擾動(dòng)而影響氣體排放。每次土壤取樣量均為10 g，并在后續(xù)計(jì)算中對(duì)土壤總量變化后的氣體排放通量進(jìn)行矯正。在培養(yǎng)結(jié)束后對(duì)土壤進(jìn)行破壞性取樣并對(duì)其中的蚯蚓數(shù)量和生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。土壤DOC含量采用蒸餾水浸提后離心，上清液過0.45 μm濾膜后用TOC儀（Vario TOC，Elementer，德國）測(cè)定[18]。土壤NH4+-N和NO3--N含量用KCl溶液浸提后采用靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度法測(cè)定[19]。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

氣體通量按照以下公式[20]計(jì)算：

式中：f為氣體排放通量，μg·kg-1·h-1（N2O-N）或mg·kg-1·h-1（CO2-C）；ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體密度，kg·m-3；V是培養(yǎng)瓶中氣體所占的有效體積，m3；Δc/Δt為特定時(shí)間內(nèi)氣體濃度變化速率，10-6h-1；m是培養(yǎng)瓶中土樣干質(zhì)量，kg；T是培養(yǎng)時(shí)的絕對(duì)溫度，K；β是由氣體轉(zhuǎn)換為元素C或N時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，CO2和N2O分別為12/44和28/44。

氣體累積排放量通過內(nèi)插累加法[21]獲得。

N2O和CO2排放系數(shù)（EFs-N和EFs-C）指投入單位秸稈N或單位秸稈C量時(shí)對(duì)N2O-N或CO2-C累積排放量的影響，按照以下公式[7]計(jì)算：

式中：∑N2O-（R∑CO2-R）指混入秸稈土壤的N2O（CO2）累積排放量，μg·kg-（1N2O）或mg·kg-（1CO2）；∑N2O-B（∑CO2-B）指相應(yīng)無秸稈土壤的N2O（CO）2累積排放量，μg·kg-（1N2O）或mg·kg-（1CO）2；N-（RC-R）指混入土壤的秸稈N（C）量，μg·kg-（1N）或mg·kg-（1C）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果以均值表示，但因不同秸稈處理投入的總秸稈C及秸稈N量并不一致，故僅對(duì)同種秸稈處理下有、無蚯蚓接種處理之間的均值進(jìn)行了方差分析。統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓存活率

為期60 d的培養(yǎng)結(jié)束后，所有接種的蚯蚓均存活下來，但不同處理蚯蚓的生物量變化趨勢(shì)不同（表2）。相對(duì)于培養(yǎng)開始前，C/N最低的油菜餅處理中蚯蚓生物量顯著增加，其他秸稈處理則無顯著變化。

表2 培養(yǎng)前及培養(yǎng)后蚯蚓生物量的變化（g）Table 2 Mean of earthworm′s total biomass in each earthwormtreated bottle before and after incubation（g）

2.2 不同處理N2O及CO2排放的變化

整體來看，N2O的排放均集中在培養(yǎng)前期（圖1A）。最低C/N的油菜餅混入土壤后導(dǎo)致N2O排放通量迅速上升，在培養(yǎng)的第6 d達(dá)到峰值（20.8 μg·kg－1·h－1），隨后緩慢下降。其他秸稈混入土壤后僅在培養(yǎng)最初的幾天產(chǎn)生一個(gè)較小的N2O排放峰，并在隨后的培養(yǎng)過程中迅速下降，接近于CK處理的排放量。不同秸稈混入后60 d的N2O累積排放量從大到小的順序?yàn)镽C＞CL＞CS＞RS＞CK（表3）。不論混入何種秸稈，蚯蚓的接種均促進(jìn)了N2O的排放，一方面表現(xiàn)為更高的N2O排放峰，另一方面表現(xiàn)為N2O排放峰更為緩慢的下降過程（圖1A）。培養(yǎng)結(jié)束后，相比無蚯蚓的處理，蚯蚓接種均顯著增加了N2O的累積排放量，相對(duì)RC、CL、RS、CS和CK分別增加了1.4、1.7、1.7、1.4、9.5倍（表3）。

圖1 不同處理下N2O－N和CO2－C的排放通量Figure 1 Emission flux of N2O－N and CO2－C from different treatments

表3 不同處理下N2O－N和CO2－C累積排放量Table 3 Cumulative emission of N2O－N and CO2－C from different treatments

與N2O類似，CO2的排放同樣主要集中在培養(yǎng)前期（圖1B）。最低C/N的油菜餅混入土壤后導(dǎo)致CO2排放通量迅速上升，在培養(yǎng)的第2 d達(dá)到峰值（9.5 mg·kg－1·h－1），隨后緩慢下降。除玉米稈處理在培養(yǎng)初期有個(gè)CO2排放峰值外，其余秸稈處理的CO2排放通量在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)并無大的波動(dòng)。不同秸稈混入后CO2累積排放量從大到小的順序?yàn)镽C＞CL＞CS＞RS＞CK（表3）?？傮w來看，接種蚯蚓增加了CO2的排放，在RC和CS中，主要表現(xiàn)為對(duì)培養(yǎng)后期CO2排放的促進(jìn)作用，但在CL和RS中，則同時(shí)促進(jìn)了CO2的排放峰值和后期的排放通量（圖1B）。培養(yǎng)結(jié)束后，與無蚯蚓的處理相比，接種蚯蚓均顯著增加了CO2的累積排放量，相對(duì)RC、CL、RS、CS和CK處理分別增加了0.3、0.5、0.9、1.0、1.8倍（表3）。

表4顯示，在單獨(dú)混入秸稈的處理中，N2O排放系數(shù)（EFs－N）與秸稈C/N并無明顯的線性關(guān)系，但當(dāng)接種蚯蚓后，N2O排放系數(shù)與秸稈C/N呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.881 3）。值得注意的是，在低C/N秸稈油菜餅的處理中，蚯蚓的存在增大了N2O排放系數(shù)，但在其他處理中蚯蚓的存在卻減小了N2O排放系數(shù)，尤其是在高C/N的水稻秸和玉米稈處理中，接種蚯蚓后的N2O排放系數(shù)均為負(fù)值。不論是否接種蚯蚓，CO2排放系數(shù)（EFs－C）與秸稈C/N均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（有、無蚯蚓時(shí)R2分別為0.753 4和0.827 3），且接種蚯蚓均增加了CO2排放系數(shù)。

2.3 土壤DOC及無機(jī)氮含量的變化

低C/N油菜餅混入土壤后導(dǎo)致DOC含量快速上升，并在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)均明顯高于其他秸稈處理，而高C/N的秸稈混入土壤后并未引起土壤DOC含量的劇烈波動(dòng)（圖2A）。接種蚯蚓降低了油菜餅處理的DOC含量，特別是在第6 d和第18 d時(shí)差異顯著，但對(duì)其余秸稈處理并無顯著作用。

油菜餅的混入同樣導(dǎo)致了土壤無機(jī)氮含量的快速上升，并在第6 d和第12 d時(shí)顯著高于其他秸稈處理（圖2B），雖然無機(jī)氮含量在第18～30 d快速下降，但隨后又緩慢上升。盡管玉米葉、水稻秸和玉米稈處理的無機(jī)氮含量從第18 d開始緩慢上升，但在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)均低于無秸稈的對(duì)照。蚯蚓的接種降低了油菜餅處理土壤的無機(jī)氮含量，卻增加了其余秸稈處理和對(duì)照處理的無機(jī)氮含量。在高C/N秸稈的處理中，蚯蚓對(duì)無機(jī)氮的增加作用明顯滯后，例如自培養(yǎng)的第18 d即可觀察到接種蚯蚓顯著增加了CK土壤無機(jī)氮含量，自培養(yǎng)的第30 d觀察到接種蚯蚓增加了CL處理土壤無機(jī)氮含量，但在培養(yǎng)的第60 d才觀察到接種蚯蚓增加了RS和CS處理土壤無機(jī)氮含量。總體看來，土壤DOC及土壤無機(jī)氮含量的變化趨勢(shì)與N2O、CO2的排放趨勢(shì)相似，即峰值均集中在培養(yǎng)前期。

表4 不同處理下N2O－N和CO2－C的排放系數(shù)（EFs－N和EFs－C）Table 4 The fractions of N2O－N and CO2－C emissions（EFs－Nand EFs－C）in difference treatments

圖2 不同處理下土壤DOC和無機(jī)氮含量變化Figure 2 Dynamics of DOC and inorganic N content during the incubation between different treatment

3 討論

3.1 添加不同C/N秸稈對(duì)CO2和N2O排放的影響

與對(duì)照土壤較為穩(wěn)定的氣體排放速率相比，無論添加何種秸稈，均促使CO2和N2O的排放通量增加（圖1），與已有的研究結(jié)果[6-7，22]一致。作物秸稈施用到土壤后在土壤微生物作用下開始腐解，其有機(jī)碳被降解為各種含碳小分子，而這些含碳小分子又可以供土壤微生物利用，為其提供物質(zhì)和能源，促進(jìn)微生物的繁殖和生長(zhǎng)代謝，在好氧條件下即表現(xiàn)為土壤呼吸作用加強(qiáng)，CO2排放增多[5]。此外，秸稈還能夠作為基質(zhì)直接影響土壤硝化與反硝化作用，或通過改變土壤理化及生物學(xué)性狀間接影響土壤硝化與反硝化過程，進(jìn)而影響土壤N2O的排放[23]。已有的研究指出，土壤中的DOC及無機(jī)氮含量作為土壤硝化與反硝化過程的基質(zhì)，將直接影響土壤N2O排放的高低[7]。這一結(jié)論亦在本研究中得到了證實(shí)，即土壤DOC及土壤無機(jī)氮含量的變化趨勢(shì)與N2O、CO2的排放趨勢(shì)相似，其峰值均集中在培養(yǎng)前期（圖2）。

不論是CO2還是N2O，本研究中秸稈還田后的氣體排放速率整體上均呈現(xiàn)“前高后低”特征（圖1），這與秸稈的物質(zhì)組成有關(guān)。秸稈還田后，在分解前期微生物會(huì)優(yōu)先利用秸稈殘?bào)w中的可溶性有機(jī)化合物等易利用物質(zhì)，而在分解后期則以利用前期未分解的木質(zhì)素、蠟質(zhì)等難分解物質(zhì)為主[24]。對(duì)于油菜餅來說，其木質(zhì)素、多酚等難分解物質(zhì)含量較低、全氮含量較高而C/N較低（表1），能夠在培養(yǎng)前期釋放大量的易利用無機(jī)氮和可溶性碳（圖2），因此在培養(yǎng)前期產(chǎn)生了顯著高于其他秸稈處理的CO2和N2O排放峰值（圖1）。

已有的研究指出，低C/N秸稈還田后比高C/N秸稈更容易導(dǎo)致土壤CO2和N2O等溫室氣體排放的增加[3-6]。這一觀點(diǎn)在本研究中亦得到了證實(shí)，即CO2的排放系數(shù)與秸稈C/N呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.827 3）。一般認(rèn)為，環(huán)境條件中C/N在25～30時(shí)符合土壤微生物的物質(zhì)構(gòu)成。因此，當(dāng)秸稈C/N較大時(shí)，表現(xiàn)為碳源相對(duì)過剩、氮源相對(duì)缺少，刺激土壤微生物去吸收另外的氮源以滿足其生物體的合成需要，加強(qiáng)了對(duì)土壤中可利用氮源的吸收，減少了硝化與反硝化作用的基質(zhì)，從而降低土壤N2O排放[3，5，7]。但本研究并未發(fā)現(xiàn)N2O排放系數(shù)與秸稈C/N較為明顯的線性關(guān)系（表4），可能歸結(jié)于本研究中秸稈是按照等質(zhì)量混入土壤的，這導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入土壤的秸稈N含量并不一致。但無論何種秸稈混入土壤，結(jié)果顯示其N2O累計(jì)排放量均高于對(duì)照處理。這與Chen等[3]的觀點(diǎn)一致，即不論多高C/N的秸稈還田，一般來說都不會(huì)導(dǎo)致土壤N2O排放的減少，即便是秸稈C/N高于30并導(dǎo)致土壤氮的固定時(shí)也是如此。

3.2 蚯蚓作用下不同C/N秸稈添加對(duì)CO2和N2O排放的影響

本研究顯示，不論混入何種秸稈或是在無秸稈的對(duì)照土壤中，接種蚯蚓均顯著增加了CO2和N2O的累計(jì)排放量（圖1）。Lubbers等[25]指出蚯蚓的生命活動(dòng)增加了土壤33%的CO2排放和42%的N2O排放；盧明珠等[26]進(jìn)一步指出，在農(nóng)田土壤中接種蚯蚓和施加秸稈均可導(dǎo)致CO2排放量的增加，當(dāng)在施加秸稈的基礎(chǔ)上接種蚯蚓時(shí)能使土壤CO2排放量再增加41%。這一方面來源于蚯蚓自身的CO2排放，另一方面則來源于對(duì)土壤微生物活性的刺激作用[26]。蚯蚓自身很少產(chǎn)生N2O，但蚯蚓腸道獨(dú)特的環(huán)境（厭氧及豐富可利用有機(jī)物）極有利于反硝化細(xì)菌的繁殖和活性的提高[25]。來源于土壤的反硝化微生物經(jīng)過蚯蚓腸道后隨蚓糞再次回到土壤，成為N2O排放的熱點(diǎn)[27-28]。此外，蚯蚓活動(dòng)改善土壤通氣性為自養(yǎng)硝化菌提供有利的生存條件，蚯蚓體表黏液、蚯蚓糞等釋放更多的可利用碳源、氮源，也為土壤硝化、反硝化細(xì)菌提供了能量來源[25]。

雖然接種蚯蚓顯著提高了土壤的N2O累積排放量，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，除低C/N油菜餅處理外，蚯蚓的接種降低了秸稈還田處理下的N2O排放系數(shù)，尤其是在高C/N的水稻秸和玉米稈處理中，蚯蚓接種后的N2O排放系數(shù)均為負(fù)值（表4）。這說明高C/N秸稈的施用降低了蚯蚓自身活動(dòng)下的土壤N2O排放。這一現(xiàn)象可歸結(jié)于土壤中有限氮的固定作用。這從圖2可以得到證實(shí)，即ERS和ECS的無機(jī)氮含量明顯低ECK，并從第18 d開始差異顯著。前文討論中已提到，高C/N秸稈混入土壤后會(huì)刺激土壤微生物對(duì)土壤中可利用氮源的固定，從而降低土壤N2O排放[3，5，7]。蚯蚓對(duì)微生物活性的刺激作用（可由圖1證實(shí)，ERS和ECS的CO2排放通量從第3 d起均明顯高于RS和CS）則可能通過強(qiáng)化微生物對(duì)土壤中可利用氮源的固定，進(jìn)一步減少可用于硝化、反硝化作用的氮源基質(zhì)，并導(dǎo)致更低的N2O累積排放量（ERS和ECS的N2O累積排放量均低于ECK處理）。雖然蚯蚓對(duì)微生物活性的刺激作用同樣存在于油菜餅處理中，但油菜餅在培養(yǎng)前期所釋放的大量無機(jī)氮（圖2）并不會(huì)成為硝化、反硝化作用的限制因素；反之，來源于蚯蚓腸道的微生物成為促進(jìn)油菜餅處理N2O排放的“熱點(diǎn)”[27-28]。秸稈分解是一個(gè)緩慢的過程，尤其是水稻秸、玉米稈這類較難分解的秸稈殘?bào)w，完全分解需要的時(shí)間更長(zhǎng)[29]。而蚯蚓通過分解作用釋放秸稈C、N的過程和蚯蚓通過體表黏液等方式提高土壤有效氮含量的過程則需要隨著時(shí)間的推移而逐步體現(xiàn)（圖2B，從第18 d起才觀察到ECL無機(jī)氮含量逐漸高于CL；從第30 d起才觀察到ECS和ERS無機(jī)氮含量逐漸高于CS和RS）。因此，本研究較短的培養(yǎng)時(shí)間或許并不能反映自然界中高C/N秸稈和蚯蚓互作下分解過程對(duì)土壤N2O排放的影響。未來周期更長(zhǎng)的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)或大田實(shí)驗(yàn)將有助于解決這個(gè)問題。

4 結(jié)論

（1）無論添加何種秸稈，均促進(jìn)了土壤CO2和N2O的排放，且CO2排放系數(shù)與秸稈C/N呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）無論添加秸稈與否，接種蚯蚓處理的CO2和N2O累積排放量均顯著高于無蚯蚓的處理。進(jìn)一步的分析顯示，蚯蚓接種提高了低C/N油菜餅處理的N2O排放系數(shù)，卻降低了高C/N水稻秸和玉米稈處理的N2O排放系數(shù)。

[1]李 濤,何春娥,葛曉穎,等.秸稈還田施氮調(diào)節(jié)碳氮比對(duì)土壤無機(jī)氮、酶活性及作物產(chǎn)量的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,24（12）：1633-1642.

LI Tao,HE Chun-e,GE Xiao-ying,et al.Responses of soil mineral N contents,enzyme activities and crop yield to different C/N ratio mediated by straw retention and N fertilization[J].Chinese Journal of Eco-A－griculture,2016,24（12）：1633-1642.

[2]許明敏,馮金俠,陳衛(wèi)平,等.秸稈集中溝埋還田對(duì)土壤氮素分布及微生物群落的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35（10）：1960-1967.

XU Ming-min,FENG Jin-xia,CHEN Wei-ping,et al.Effects of ditchburied straw return on nitrogen distribution and microbial community in the straw-soil interface[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（10）：1960-1967.

[3]Chen H H,Li X C,Hu F,et al.Soil nitrous oxide emissions following crop residue addition：A meta-analysis[J].Global Change Biol,2013,19（10）：2956-2964.

[4]曹 佳,王 沖,皇 彥,等.蚯蚓對(duì)土壤微生物及生物肥力的影響研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26（5）：1579-1586.

CAO Jia,WANG Chong,HUANG Yan,et al.Effects of earthworm on soil microbes and biological fertility：A review[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26（5）：1579-1586.

[5]伍玉鵬,劉 田,彭其安,等.氮肥配施下不同C/N作物殘?jiān)€田對(duì)紅壤溫室氣體排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,33（10）：2053-2062.

WU Yu-peng,LIU Tian,PENG Qi-an,et al.Greenhouse gas emissions in red soil as influenced by different C/N residues under nitrogen applications[J].Journal of Agro-Environment Science,2014,33（10）：2053-2062.

[6]劉四義,張曉平,梁愛珍,等.玉米和大豆秸稈還田初期對(duì)黑土CO2排放的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26（8）：2421-2427.

LIU Si-yi,ZHANG Xiao-ping,LIANG Ai-zhen,et al.Effects of corn and soybean straws returning on CO2efflux at initial stage in black soil[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26（8）：2421-2427.

[7]Wu Y,Lin S,Liu T,et al.Effect of crop residue returns on N2O emissions from red soil in China[J].Soil Use and Management,2016,32（1）：80-88.

[8]Lubbers I M,Pulleman M M,Groenigen J W V,Can earthworms simultaneously enhance decomposition and stabilization of plant residue carbon?[J].Soil Biology and Biochemistry,2017,105：12-24.

[9]Ernst G,Henseler I,Felten D,et al.Decomposition and mineralization of energy crop residues governed by earthworms[J].Soil Biology and Biochemistry,2009,41（7）：1548-1554.

[10]Ravindran B,Contreras-Ramos S M,Sekaran G,Changes in earthworm gut associated enzymes and microbial diversity on the treatment of fermented tannery waste using epigeic earthworm Eudrilus eugeniae[J].Ecological Engineering,2015,74：394-401.

[11]Procházková P,?ustr V,Dvorˇák J,et al.Correlation between the activity of digestive enzymes and nonself recognition in the gut of Eisenia andrei earthworms[J].Journal of Invertebrate Pathology,2013,114（3）：217-221.

[12]Gómezbrandón M,Lazcano C,Lores M,et al.Detritivorous earthworms modify microbial community structure and accelerate plant residue decomposition[J].Applied Soil Ecology,2010,44（3）：237-244.

[13]Chen Y X,Zhang Y F,Zhang Q G,et al.Earthworms modify microbial community structure and accelerate maize stover decomposition during vermicomposting[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22（21）：17161-17170.

[14]Schon N L,Mackay A D,Gray R A,et al.The action of an anecic earthworm（Aporrectodea longa）on vertical soil carbon distribution in New Zealand pastures several decades after their introduction[J].European Journal of Soil Biology,2014,62（5）：101-104.

[15]Massey P A,Creamer R E,Schulte R P O,et al.The effects of earthworms,botanical diversity and fertiliser type on the vertical distribution of soil nutrients and plant nutrient acquisition[J].Biology and fertility of soils,2013,49（8）：1189-1201.

[16]Blouin M,Hodson M E,Delgado E A,et al.A review of earthworm impact on soil function and ecosystem services[J].European Journal of Soil Science,2013,64（2）：161-182.

[17]胡 鋒,吳珊眉.不同利用方式紅壤生態(tài)系統(tǒng)蚯蚓種群特征[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1993,16（1）：65-71.

HU Feng,WU Shan-mei.Population characteristics of earthworm in red soil ecosystems under different utilization[J].Journal of Nanjing A－gricultural University,1993,16（1）：65-71.

[18]Liang B C,Wang X L,Ma B L,Maize root-induced change in soil organic carbon pools[J].Soil Science Society of America Journal,2002,66（3）：845-847.

[19]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.BAO Shi-dan.Soil and agricultural chemistry analysis[M].Beijing：China Agriculture Press,2000.

[20]李成芳,寇志奎,張枝盛,等.秸稈還田對(duì)免耕稻田溫室氣體排放及土壤有機(jī)碳固定的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,30（11）：2362-2367.

LI Cheng-fang,KOU Zhi-kui,ZHANG Zhi-sheng,et al.Effects of rape residue mulch on greenhouse gas emissions and carbon sequestration from no-tillage rice fields[J].Journal of Agro-Environment Science,2011,30（11）：2362-2367.

[21]Kool D M,Hoffland E,Hummelink E W,et al.Increased hippuric acid content of urine can reduce soil N2O fluxes[J].Soil Biology and Biochemistry,2006,38（5）：1021-1027.

[22]Wu Y P,Liu T,Peng Q,et al.Effect of straw returning in winter fallow in Chinese rice fields on greenhouse gas emissions：Evidence from an incubation study[J].Soil Research,2015,53（3）：298-305.

[23]張 冉,趙 鑫,濮 超,等.中國農(nóng)田秸稈還田土壤N2O排放及其影響因素的Meta分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31（22）：1-6.

ZHANG Ran,ZHAO Xin,PU Chao,et al.Meta-analysis on effects of residue retention on soil N2O emissions and influence factors in China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31（22）：1-6.

[24]王曉玥,孫 波.植物殘?bào)w分解過程中微生物群落變化影響因素研究進(jìn)展[J].土壤,2012,44（3）：353-359.

WANG Xiao-yue,SUN Bo.Factors affecting change of microbial community during plant residue decomposition：A review[J].Soils,2012,44（3）：353-359.

[25]Lubbers I M,van Groenigen K J,Fonte S J,et al.Greenhouse-gas emissions from soils increased by earthworms[J].Nature Climate Change,2013,3（3）：187-194.

[26]盧明珠,呂憲國,管 強(qiáng),等.蚯蚓對(duì)土壤溫室氣體排放的影響及機(jī)制研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào),2015,52（6）：1209-1225.

LU Ming-zhu,Lü Xian-guo,GUAN Qiang,et al.Advancement in study on effect of earthworm on greenhouse gas emission in soil and its mechanism[J].Acta Pedologica Sinica,2015,52（6）：1209-1225.

[27]Wang Z Y,Peng S X,Sun Y,et al.How gut-stimulated denitrifiers influence soil N2O emission without earthworm activity[J].European Journal of Soil Biology,2016,76：70-73.

[28]Wu Y P,Shaaban M,Zhao J S,et al.Effect of the earthworm gut-stimulated denitrifiers on soil nitrous oxide emissions[J].European Journal of Soil Biology,2015,70：104-110.

[29]Parton W,Silver W L,Burke I C,et al.Global-scale similarities in nitrogen release patterns during long-term decomposition[J].Science,2007,315（5810）：361-364.

Influence of earthworm activity on soil CO2and N2O emissions by incorporating different C/N residues

WANG Zheng-yan1,LEI Zi-yan1,YE Zhi-xiong1,WU Yu-peng1,2*
（1.College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;2.Key Laboratory of Arable Land Conservation（Middle and Lower Reaches of Yangtze River）,Ministry of Agriculture,Wuhan 430070,China）

A microcosm incubation experiment was performed to assess soil CO2and N2O emissions after different residues were added to the soil,with or without earthworm（Metaphire guillelmi）inoculation.Four residues（rapeseed cake,corn leaf,rice straw,and corn stalk）with different C/N were chopped and thoroughly mixed with soil.Treatments without residue addition were set up as the control.During the 60-day incubation,residue incorporation increased the soil CO2and N2O emission fluxes.In addition,the fraction of CO2emissions（EFs-C）showed a significant negative correlation with residue C/N（R2=0.827 3）.Earthworm inoculation also increased the soil CO2and N2O fluxes.In the treatment with rape cake,corn leaf,rice straw,and corn stalk incorporation and control,cumulative CO2and N2O emissions were increased 0.3,0.5,0.9,1.0,1.8 times and 1.4,1.7,1.7,1.4,9.5 times,respectively,by earthworm inoculation and by the counterpart treatment without earthworm inoculation.However,further analysis showed that earthworms increased the fraction of N2O emissions（EFs-N）with rape cake incorporation,but decreased EFs-Nwith the incorporation of other residues.In addition,rape cake incorporation led to a quick in－crease inorganic N and dissolved organic carbon content at the beginning of incubation,while the incorporation of other residues led to comparatively lower inorganic N content compared to the counterpart control.Inorganic N content in high C/N residue treatments was slightly increased by earthworm inoculation,but it remained lower than the counterpart treatment without the incorporation of residues.Both earthworm inoculation and residue incorporation can stimulate CO2and N2O emissions,but their interaction effects on EFs-Nmay vary by the different residue C/N values.

earthworm;straw returning;C/N;carbon dioxide;nitrous oxide

X511

A

1672-2043（2017）09-1908-08

10.11654/jaes.2017-0187

王爭(zhēng)妍，雷紫煙，葉志雄，等.蚯蚓作用下不同C/N秸稈還田對(duì)土壤CO2及N2O排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（9）：1908-1915.

WANG Zheng-yan,LEI Zi-yan,YE Zhi-xiong,et al.Influence of earthworm activity on soil CO2and N2O emissions by incorporating different C/N residues[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（9）:1908-1915.

2017－02－19

王爭(zhēng)妍（1995—），女，北京人，本科生，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail：1041907044@qq.com

*通信作者：伍玉鵬E-mail：wyp19851205@126.com

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401267）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510504014）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41401267）;The National Training Program of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates（201510504014）