等碳投入三種有機物料對稻田土壤有機碳組分和溫室 氣體排放的影響

中圖分類號：S19 文獻標識碼：A 文章編號： 1000-4440（2025）06-1124-12

Abstract：This study aims to investigate the effcts of equal carbon input of three organic materials （rice straw， biochar，andorganic fertilizer）onsoil organiccarbonfractions and greenhousegas emisions inpaddyfields.Taking the single-seasonrice planting system as theresearch object，andapplying organic materialsonanequal carbonbasis，this

study investigated the response patterns of greenhouse gas emissions，soil organic carbon content，dissolved organic matter（DOM）fluorescence components，and microbial biomass carboninpaddy fields，with the aid of three-dimensional fluorescence spectroscopy technology. The applicationof organic fertilizer significantlyincreased theyield

of rice.The application oforganicmaterials significantlyincreasedthesoil disolvedorganiccarbon content compared with thecontrol （ Plt;0.05 ）.However，the application of organic fertilizer reduced the soil microbial biomass carbon content.The applicationoforganic materialsaffctedthecompositionand propertiesofsoil dissolvedorganic mater，resulting inadecrease in the level of humification and an increase in soluble microbial by-products and aromatic protein type I substances. The applicationof the three types oforganic materialshad diferent impactson greenhousegas emisions.Specifically，the application of organic fertilizer significantly increased the global warming potential （ GWP ），which was 40.97% higher than that of the control （ Plt;0.05） . In contrast，the application of biochar significantly reduced the soil GWP and greenhouse gas intensity （ GHGI ）（ Plt;0.05 ），with reductions of 29.86% and 39. 13 % ，respectively. The rice straw application had no significant effect on GWP and GHGI （ Pgt;0.05 ）.The results of the correlation analysis showed that the soil dissolved organic carbon content was significantly negatively correlated with the cumulative emissions of N₂0 and CO₂（Plt;0.05）. The cumulative emissions of N₂O were significantly positively correlated with thefluorescence index and the integral of the aromatic protein I fluorescence region （ Plt;0.05 ）.In contrast，the integrals of the fluorescence regions for aromatic protein II and soluble microbial by-products were both significantly negatively correlated with the cumulative emissions of N2O（ Plt;0.001 ）. The integralofthe fluoresceceregionforaromaticproteinII was alsosignificantlynegativelycorelated withthecumulative emissions of CO ² （ P lt;0.05）.In summary，the application of organic materialsonan equal carbon basis altered the soil organic carboncontentand thecompositionof dissolved organic matter，thereby influencing the emissions of greenhouse gases.

Key words：organic materials；rice；greenhouse gases；soil organic carbon；global warming potential；greenhouse gas intensity

《巴黎協(xié)定》呼呼各國根據(jù)自身國情制定和實施溫室氣體減排目標，通過國際合作逐步提高減排力度[]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是全球人為溫室氣體排放的重要來源，其溫室氣體排放量占全球溫室氣體排放總量的 10%～14%^[2] 。水稻是重要的谷類作物，中國的水稻產(chǎn)量約占全球水稻產(chǎn)量的 29%^[3] 。然而，稻田過量施用氮肥導致土壤礦化速度加快，農(nóng)田溫室氣體排放量逐年增加，這也導致了土壤有機碳庫儲量的下降[4]。因此，為了確保人類糧食安全，并減緩全球氣候變化，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)已迫在眉睫。

已有研究結果表明，秸稈、生物炭和有機肥等有機物料的施用會影響農(nóng)業(yè)土壤的理化性質、土壤固碳能力和溫室氣體排放[5-7]。例如，Xue等[8]的研究結果表明，秸稈施人后土壤有機碳含量和作物產(chǎn)量都會有所增加，而Gregorich等[9發(fā)現(xiàn)激發(fā)效應會導致土壤有機碳含量減少。此外，施用不同種類的有機物料對溫室氣體排放的影響在不同研究中存在差異。在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，秸稈還田可能會通過影響土壤肥力和土壤微生物的養(yǎng)分供應促進或抑制甲烷（ CH₄ ）的排放[10]。生物炭的應用可能會降低土壤微生物的活性，從而減少溫室氣體的排放[11]。施用有機肥會影響土壤生化條件，影響土壤硝化或反硝化作用，從而導致溫室氣體排放增加或減少[12]

稻田土壤有機碳組分與溫室氣體的產(chǎn)生關系密切，施用有機物料可以通過輸入碳源和影響稻田土壤有機碳組分轉化，進而影響溫室氣體的產(chǎn)生[13]土壤活性有機碳（包括溶解性有機碳和微生物量碳）是微生物增殖的的可利用底物，這種可利用性有機碳可以直接調節(jié)土壤微生物的活動水平，進而間接影響溫室氣體的排放[14]。Naser等[15]研究發(fā)現(xiàn)，當秸稈施用量控制為 0～219g/m² 時， CH₄ 排放量與秸稈施用量呈正相關， CH₄ 和 N₂O 相關微生物的活性增強，為 CO₂、CH₄ 和 N₂O 的生成補充了更為充足的基質，從而增加稻田溫室氣體的排放量?？扇苄杂袡C質（DOM）廣泛存在于土壤系統(tǒng)中，是最富活力的有機質組分之一，在土壤微生物的生長代謝以及碳氮比調控下的礦化過程中扮演著重要角色。有研究結果表明，有機物料通常以細小顆粒的形式施入土壤中，其作為碳源易產(chǎn)生DOM，所以向土壤中添加的有機物料在分解的時候，會使土壤DOM的含量與組成發(fā)生明顯改變[16]。相關研究發(fā)現(xiàn)，添加有機肥可以提高土壤中DOM的腐殖化水平及其陸源性[17]。高忠霞等[18]也發(fā)現(xiàn)，化肥與有機肥或秸稈共同施用可以提高DOM中芳香化合物組分的占比。王瑞[4的研究結果表明，施用秸稈的水稻土中DOM類胡敏酸和富里酸物質含量有所增加。Zhang等[19]的研究結果表明，生物炭配施化肥處理下，DOM的類腐殖酸和類色氨酸成分含量隨著生物炭施用量的增加而增加。

DOM通過微生物降解活動使土壤氧氣（ 0₂ ）含量減少，從而為 CH₄ 生成及反硝化過程提供所需要的電子，進而影響 CH₄ 和 N₂O 的生成[20]。此外，DOM的光學特性，如熒光指數(shù)和組分，也與溫室氣體排放呈正相關[21]。Barnes等[22]也發(fā)現(xiàn)DOM的熒光組分與反硝化電位顯著相關。然而目前研究主要聚焦于施用有機物料對有機碳組分以及DOM熒光組分與性質的影響，對于有機物料-DOM熒光組分-溫室氣體的耦合作用機制尚不明確。所以，探討不同有機物料輸入對溶解性有機質（DOM）組分及熒光指數(shù)的影響，以及其對溫室氣體排放的作用機制，具有重要的研究價值。

針對以上研究的不足，本研究擬以單季稻種植系統(tǒng)為研究對象，等碳施入水稻秸稈、生物炭和有機肥，結合三維熒光光譜技術，分析稻田溫室氣體的排放、土壤有機碳組分、DOM熒光組分的變化以及它們之間的響應規(guī)律，以期揭示施用不同有機物料條件下稻田有機碳含量、組分與溫室氣體的耦合機制，為稻田系統(tǒng)有機碳高效固存與減排協(xié)同調控提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2022年3月至11月進行，試驗田位于江蘇省市湟里鎮(zhèn)西墅村東里墅（ 31^°36^′53^′′N 119^°44^′6^′′E ）。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為 15.5^°C ，年平均降水量為 1066mm ，全年日照總時數(shù)為1 940.2h ，無霜期為 248d 。土壤類別屬于黃棕壤土，土壤的基礎理化性質如下： pH 值 6.84±0.23 容重（ BD ）（ 1.92±0.01 ） g/cm³ ，土壤有機碳含量（sOC）（ 6.28±0.66 ） g/kg ，全氮含量（TN）（ 212.99± 9.22） mg/kg ，有效磷含量（ （AP） （ 1.67±0.02 ） mg/kg 有效鉀含量（ AK）（42.50±2.34）mg/kg_?

1.2 試驗設計

本研究設計隨機區(qū)組，每個小塊的面積為200m² ，試驗設置4個處理，每個處理設3次重復。4個處理分別為：單施氮磷鉀肥（CK）、氮磷鉀肥配施水稻秸稈（水稻秸稈）、氮磷鉀肥配施生物炭（生物炭）、氮磷鉀肥配施有機肥（有機肥）。每個處理都施用 375.0kg/hm² 氮（尿素， 46% 氮） 67.5kg/hm² P₂O₅ （過磷酸鈣， 12%P₂O₅ ）和 97.5kg/hm²K₂O （氯化鉀， 60%K₂0 ）。在水稻播種前，將全部的磷肥和50% 的氮肥 50% 的鉀肥作為基肥施入，其余的氮肥和鉀肥在水稻分藥期和抽穗期用作追肥。本試驗所用的生物炭由鎮(zhèn)江澤地農(nóng)業(yè)生物科技有限公司提供，使用水稻秸稈在 450‰ 且缺氧條件下進行熱分解得到。有機肥由市宏寶生物科技有限公司提供，原料為發(fā)酵豬糞。本研究所用的有機物料均按照等碳原則施入，水稻秸稈、生物炭和有機肥處理全碳投入量為1 200kg/hm^2[23] 。根據(jù)這3種有機物料的總碳含量（表1）計算田間施用量，水稻秸稈、生物炭和有機肥的施用量分別為 3030kg/hm²?2272 kg/hm² 和 4393kg/hm² 。有機物料在2022年3月初施入，在試驗區(qū)域上均勻施加有機物料，然后將其翻壓至 0～20cm 耕層土壤中，與土壤充分混合。供試水稻品種為南梗46，秧苗在6月中下旬移栽，移栽密度為 16.7cm×20.0cm，11 月初收獲。其他管理同當?shù)剞r(nóng)田日常管理。

1.3 采樣方法及測定指標

1.3.1土壤樣品的采集與測定水稻成熟后，采用五點法采集各小區(qū) 0～20cm 耕層土壤。利用環(huán)刀法檢測各試驗小區(qū)土層的土壤容重。土壤采集后，一些在 -20^°C 冰箱中放置，余下則進行風干、研磨和篩分處理。這些土壤樣品被用來檢測有機碳含量、硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量等理化指標。采取電位法（水土重量比為 2.5：1.0? 檢測土壤 ΔpH 值，按照凱氏定氮法檢測全氮含量，采用KCI浸提-靛酚藍比色法檢測土壤中銨態(tài)氮含量，同時，采用紫外分光光度法檢測硝態(tài)氮含量，采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法檢測有機碳含量，此外，溶解性有機碳含量采用去離子水浸提法進行測定，采用氯仿熏蒸 ?K₂S0₄ 浸提法檢測微生物量碳含量[24] 。

三維熒光光譜測定：利用水土振蕩提取法[25]得到DOM樣品，正確稱量 5.00g 風干后的土壤樣品，倒人離心管中，根據(jù) 10.0：1.0 的水土重量比，倒入適量的純水， 25°C 下在黑暗處 200r/min 振蕩提取 ^16h 后，再4 .000r/min 離心 30min ，然后過 0.45μm 濾膜過濾后，使用熒光分光光度計［Agilent Cary EclipseE，購自安捷倫科技（中國）有限公司]檢測。熒光光譜分析的參數(shù)設置如下：激發(fā)波長（ ξ_Ex） 掃描范圍為200～550nm ，步長為 2nm ；發(fā)射波長 （Em） 檢測范圍為 1200～600nm ，步長為 10nm 。在拉曼散射試驗中，通常以純水作為空白樣本進行基準校正。熒光區(qū)域積分法是利用MATLAB 2019b 軟件進行DOM成分的半定量（FRI）分析，具體包括：（1）芳香蛋白類I（API），激發(fā)波長 220～250nm ，發(fā)射波長 280～330nm （2）芳香蛋白類I（APII），激發(fā)波長 220～250nm ，發(fā)射波長 330～380nm ;（3）富里酸（FA），激發(fā)波長 220～ 250nm ，發(fā)射波長 380～550nm ;（4）可溶性微生物副產(chǎn)物（SMP），激發(fā)波長 250～340nm ，發(fā)射波長 280～ 380nm ;（5）腐殖酸（HA），激發(fā)波長 250～280nm ，發(fā)射波長 280～550nm 。

熒光指標的測定：（1）熒光指數(shù) （FI） ：激發(fā)波長為 370nm ，發(fā)射波長為 450nm 和 500nm 時的熒光強度比值；（2）自生源指數(shù)（BIX）：激發(fā)波長為310nm ，發(fā)射波長為 380nm 和 430nm 時的熒光強度比值；（3）腐殖化指數(shù)（HIX）：激發(fā)波長為 254nm ，發(fā)射波長為 435～480nm 與 300～345nm 時的熒光區(qū)域積分的比值。

1.3.2氣體樣品的采集氣體排放量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法檢測。在水稻移栽前，在每個區(qū)塊中都安裝一個底座，為雙圈正方形，其尺寸為 50cm×50 cm，凹槽深 5cm ，寬 3cm ，凹槽在采氣時進行水封，使得箱體處于密閉狀態(tài)。采樣箱（ 50cm×50cm×50 cm）的外部用隔熱膜包裹，使采樣箱在采樣過程中的溫度變化最小化。采樣周期為秧苗返青后3＼～4d開始，按照周期采樣，翻地、施肥和收獲后7d內加密采樣，為避免激發(fā)效應，下雨后順延1d采樣，直到水稻收獲為止。

溫室氣體采樣時間為早上8：00-11：00，用注射器在關箱后 0min₁₀min₂₀min₃₀min 采集100mL 氣體，然后轉移到密閉真空袋中，帶回室內用氣相色譜儀［Agilent7890a，購自安捷倫科技（中國）有限公司]同步測量溫室氣體含量（ mg/m³ ）變化。根據(jù)公式（1）來計算溫室氣體的排放通量[26]，如下：

式中， F 表示 N₂0，CO₂ 和 CH₄ 排放通量， N₂O 排放通量的單位為 μg/（m²?h） ， CO₂ 排放通量的單位為 mg/（Ωm²?h） ， CH₄ 排放通量的單位為mg/（m²?h）;ρ 表示標準大氣壓下 N₂0，CO₂ 和 CH₄ 的密度， mg/cm³ 5 V 表示采樣箱體積， m³;A 表示采樣箱面積， m² ： Δc/Δt 為箱體內溫室氣體含量的變化率； T 表示取樣時采樣箱里面的平均溫度， C 。

水稻整個生育期內的溫室氣體累積排放量計算如下：

式中， E 為溫室氣體累積排放量， kg/hm² ;i和i+1 表示連續(xù)2次采樣； Φ_t^t 表示采樣天數(shù)； F 表示溫室氣體的排放通量。

1.3.3水稻產(chǎn)量、全球增溫潛勢（ （GWP） 和溫室氣體排放強度（GHGI）的測算在水稻成熟期先按小區(qū)隨機采集5穴，分別測定水稻產(chǎn)量構成中的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和結實率；然后按小區(qū)單打單收測量實際產(chǎn)量。水稻成熟時，通過小區(qū)實際面積收割的方法得到各處理的實際產(chǎn)量，收獲后，進行脫粒，然后進行風干，最后，測算各處理的水稻產(chǎn)量，將其換算成含水率為 14% 的稻米產(chǎn)量。

GWP和GHGI根據(jù)公式（3）和公式（4）來計算[27]：

式中： GWP 表示全球增溫潛勢； GHGI 表示溫室氣體排放強度； E_N2O?ECO2 和 E_CH4 分別表示 和 CH₄ 累積排放量， kg/hm² ;34和298分別表示聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在100年時間范圍內將 CH₄ 和 N₂O 排放通量轉化為 CO₂ 當量通量的轉換因子;Yield表示作物產(chǎn)量， kg/hm² 。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

使用Excel2019、MATLAB2019b進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖；通過SPSS19.0進行單因子方差分析（ANOVA）。此外，采用Duncan’s多重比較法分析各處理間差異的顯著水平（ Plt;0.05 ）。采用Pearson相關分析法，評估了不同處理的土壤理化指標、DOM三維熒光特征參數(shù)及其組分與溫室氣體累積排放量及作物產(chǎn)量之間的相關性。數(shù)據(jù)分析與可視化處理采用Origin2021軟件完成。為進一步探究各環(huán)境因子的影響機制，將各處理的理化因子作為解釋變量，以不同有機物料處理下的溫室氣體累積排放總量作為響應變量，進行冗余分析。最后利用R4.1.3中的Vegan包進行可視化分析。

2 結果與分析

2.1施用外源有機物料對稻田土壤理化性質的 影響

隨著外源有機物料的施用，在水稻成熟期時，稻田土壤的理化性質發(fā)生明顯變化。表2顯示，與CK相比，水稻秸稈處理、生物炭處理和有機肥處理均顯著降低了稻田土壤容重（ Plt;0.05） 。生物炭處理的稻田土壤銨態(tài)氮含量顯著高于CK，增幅為 59.85% 0 （Plt;0.05） 。等碳投入有機物料對稻田土壤 ΔpH 值和硝態(tài)氮含量均無顯著影響（ Pgt;0.05） 。

有機物料的施用顯著增加了土壤中有機碳含量0 10.95%～20.48%，Plt;0.05） 。其中，在有機肥處理下的土壤有機碳含量最高，為（ 7.59±0.04 ） g/kg 。施用不同有機物料后，稻田土壤溶解性有機碳含量均顯著高于CK（ Plt;0.05 ）。其中水稻秸稈處理與生物炭處理下的土壤溶解性有機碳含量無顯著差異。有機肥處理的土壤微生物量碳含量顯著低于CK （ Plt;0.05 ）。相較于CK，水稻秸稈處理、有機肥處理顯著提高了土壤的碳氮比（ Plt;0.05 ）。

2.2施用外源有機物料對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

表3顯示，與CK相比，有機肥處理顯著增加了單季稻的產(chǎn)量。水稻單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)在不同處理間均無顯著差異（ Pgt;0.05） ，千粒重表現(xiàn)為生物炭處理和有機肥處理較CK顯著提高（ Plt;0.05 ），分別提高了 12.69% 和 23.51% 。水稻秸稈處理的千粒重與CK差異不顯著（ Pgt;0.05 ）。相對于CK，有機肥處理的水稻產(chǎn)量顯著提高了 25.33% （ Plt; 0.05）。說明有機肥處理在保持較高單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)的基礎上，主要通過提高千粒重獲得高產(chǎn)。

2.3施用外源有機物料對稻田土壤有機質組分的 影響

根據(jù)三維熒光分析的結果，分析熒光指數(shù)號 （FI） 、自生源指數(shù)（BIX）和腐殖化指數(shù)（HIX）。其中，DOM的來源可以用 FI 來反映：當 FIgt;1.90 時，

DOM基本從微生物活動中產(chǎn)生，屬于內源性，顯示出強烈的自生源特性；而當 FIlt;1.40 時，DOM基本上來自外源，屬于外源性，受其自身生產(chǎn)力以及微生物活力等因素的影響相對較小。表4顯示，不同有機物料處理的 FI 與CK差異顯著（ Plt;0.05 ，CK的

FI 為2.18，水稻秸稈處理的 FI 為2.02，生物炭處理的 FI 為2.00，有機肥處理的 FI 為1.94，表明各個處理下土壤DOM均主要來源于微生物代謝，內源性特征明顯，外源性DOM對微生物活性的影響相對較弱。

DOM的自生源貢獻率可以用BIX來反映，若BIX為 0.60～0.70 ，則表示自生源貢獻率較低，當BIX為 0.71～0.80 ，則表示自生源貢獻率屬于中等水平。本研究發(fā)現(xiàn)，有機物料處理的BIX與CK均存在顯著差異（ Plt;0.05） ，而有機物料處理之間的BIX無顯著差異（ ?Pgt;0.05 ）。在有機肥處理下，土壤DOM的自生源貢獻率屬于中等水平，水稻秸稈處理和生物炭處理下土壤DOM的自生源貢獻率較低。BIX越大，自生源特性越突出，蛋白質組分越豐富，生物可利用性越高。

DOM的腐殖化程度通過HIX來反映，若 HIXlt; 4.00，則表明腐殖化程度較低，自生源特性更為明顯。表4顯示，施用不同有機物料處理的HIX與CK之間存在顯著差異（ Plt;0.05 ）。整體上， HIX 都小于4.00。值得注意的是，相比施加有機物料的處理，CK中土壤DOM的HIX較高，意味著其腐殖化程度相對較高?？傮w而言，本研究中土壤HIX與 FI 均反映出DOM較強的自生源特性。本研究還發(fā)現(xiàn)，添加有機物料可以使土壤DOM的腐殖化程度降低。具體而言，有機物料處理下的土壤DOM的腐殖化程度較低，DOM的結構相對簡單時，易于被微生物分解利用。

為了更好地反映施加有機物料后土壤DOM熒光組分的變化，本研究采用熒光區(qū)域積分法（FRI）對水稻成熟期不同處理下土壤DOM三維熒光光譜圖進行了定量分析。通過三維熒光光譜分析，本研究計算了水稻成熟期不同處理下土壤中DOM熒光區(qū)域的積分，結果（圖1）顯示，各處理下土壤DOM的熒光組分主要為芳香蛋白類I（API）、芳香蛋白類II（APII）、富里酸（FA）、可溶性微生物副產(chǎn)物（SMP）及腐殖酸（HA）5種有機物。與CK、生物炭處理和有機肥處理相比，水稻秸稈處理的土壤DOM中能夠得到的總的熒光組分強度更強。有機肥處理下總的熒光組分強度低于 CK 。進一步分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A是CK及各有機物料處理DOM中含量最多的組分，占比高達 27.51% 237.07% 。與CK相比，有機物料處理下FA含量較低。此外，CK及各有機物料處理下的API、APII、SMP和HA分別占比如下： 13.33%～17.15%.8.79%～ 21. 64% 、 12.76%～19.91% 和 17.38%～24.24% 。各有機物料處理的API熒光區(qū)域積分和SMP熒光區(qū)域積分均高于 cK 。與CK相比，生物炭處理和有機肥處理的HA熒光區(qū)域積分降低，水稻秸稈處理的HA熒光區(qū)域積分增加，水稻秸稈處理和有機肥處理的API熒光區(qū)域積分降低，而生物炭處理的API熒光區(qū)域積分增加。

2.4施用外源有機物料對稻田土壤溫室氣體排放 的影響

本研究發(fā)現(xiàn)稻田土壤中不同的溫室氣體對施用外源有機物料處理具有不同的響應特征。具體而言，本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻移栽 30d 后， N₂0 和CO₂ 排放通量出現(xiàn)峰值，隨著水稻的生長，不同處理下不同溫室氣體排放通量的變化呈現(xiàn)相似的變化趨勢。施肥后 N₂O 排放通量短暫升高，隨水稻生育期變化而波動明顯；施肥后 CO₂ 排放通量迅速達峰值，其中有機肥處理下最高，水稻秸稈處理下與CK相比顯著降低；水稻生長初期 CH₄ 排放增加，收獲期最低，有機肥處理顯著促進 CH₄ 排放，生物炭處理顯著降低 CH₄ 排放[28]。表5顯示，與CK相比，施用有機物料處理顯著降低了稻田 N₂O 的累積排放量（ Plt;0.05， ），水稻秸稈處理減少了83.58% 的 N₂O 累積排放量和 25.83% 的 CO₂ 累積排放量。與CK相比，有機肥處理使得 CH₄ 的累積排放量顯著上升了 53.85%（Plt;0.05） ，但是，生物炭處理則使 CH₄ 的累積排放量顯著減少 31.60% （ Plt;0.05） 。

總體而言，與CK相比，生物炭處理降低了29.86% 的全球增溫潛勢 （GWP） ，而有機肥處理的GWP提高了 40.97% （表5）。溫室氣體排放強度（GHGI）在評價農(nóng)藝措施的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益方面發(fā)揮著重要作用，GHGI計算的是每單位谷物產(chǎn)量的 CO₂ 當量排放量。與CK相比，施用生物炭使GHGI顯著降低 39.13% ，另外，施用生物炭還減少了溫室氣體 N₂O，CH₄ 的排放，生物炭處理的GHGI最低，為 （0.14±0.02 ）

2.5土壤理化因子與產(chǎn)量、溫室氣體排放量的相關性

Pearson相關性分析旨在闡明不同處理下土壤理化因子和溫室氣體排放之間是否存在線性相關關系。結果（圖2A）表明， CH₄ 累積排放量與全氮含量呈顯著負相關（ Plt;0.05） ，與碳氮比呈顯著正相關（ （Plt;0.05） 。稻田 N₂O 累積排放量與溶解性有機碳含量呈顯著負相關（ Plt;0.05） ，此外，還與碳氮比呈顯著負相關（ Plt;0.05， 。稻田 CO₂ 累積排放量與GHGI呈顯著正相關（ Plt;0.05） ，稻田 N₂O 和 CO₂ 的累積排放量均與土壤溶解性有機碳含量呈顯著負相關 （Plt;0.05） 。

土壤DOM熒光組分區(qū)域積分、熒光光譜特征參 數(shù)值與稻田溫室氣體排放量，相關性分析結果（圖 2B）顯示， HIX 和API熒光區(qū)域積分與 CH₄ 累積排放 量均呈顯著或極顯著負相關；而 FI 和API熒光區(qū)域 積分與 N₂O 累積排放量呈顯著或極顯著正相關， BIX，AP I熒光區(qū)域積分和SMP熒光區(qū)域積分均與 N₂O 累積排放量呈顯著或極顯著負相關；API熒光區(qū) 域積分與 CO₂ 累積排放量呈顯著負相關。

冗余分析結果有助于揭示各個土壤理化因子對溫室氣體排放造成影響的程度。冗余分析結果（圖3）表明，第1軸、第2軸共解釋了 86.23% 的總方差。微生物量碳含量、全氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、溶解性有機碳含量、有機碳含量和ΔpH 值是影響溫室氣體排放的關鍵因子。此外，土壤微生物量碳含量與 N₂O 累積排放量分布在同一象限內，表明土壤微生物量碳含量對 N₂O 排放具有重要影響。全氮含量、銨態(tài)氮含量與 CO₂ 累積排放量分布在同一象限內，說明二者都對 CO₂ 排放有影響，其中全氮含量的影響相對更大。土壤硝態(tài)氮含量、有機碳含量、溶解性有機碳含量、 pH 與CH₄ 累積排放量分布在同一象限內，說明土壤硝態(tài)氮含量、有機碳含量、溶解性有機碳含量和 ΔpH 對CH₄ 的排放有影響，其中土壤有機碳含量對 CH₄ 累積排放量的影響較大。

3討論

衡量土壤中活性有機碳含量的重要指標是土壤溶解性有機碳含量和微生物量碳含量。有研究發(fā)現(xiàn)，氮磷鉀肥配施有機物料明顯優(yōu)于單一化肥施用，能有效提升溶解性有機碳和微生物量碳的含量[29-31]，與本研究得出的結果基本一致。有機物料的等碳投入會刺激土壤中微生物的生長和繁衍，提高根系的生物量和分泌物含量，從而使溶解性有機碳和微生物量碳的含量整體提升；同時，相比于施用單一化肥，化肥配施有機物料（等碳投入）給微生物提供了充足的碳源、氮源，使得微生物活性被激發(fā)，促進了可溶性有機化合物的產(chǎn)生。另外，有機物料自身也含有一部分可溶性有機化合物，進一步使溶解性有機碳含量以及微生物量碳含量提高[32]。土壤碳氮比是評估土壤碳氮養(yǎng)分平衡的重要參數(shù)[33-35]，其動態(tài)變化在土壤碳氮循環(huán)中起著關鍵作用。作為碳源的有機物料被施加到土壤中，一定會使有機碳含量發(fā)生改變，進而也讓土壤碳氮比發(fā)生改變[36-37]。在本研究中，相較于對照，水稻秸稈處理和有機肥處理顯著提高了土壤的碳氮比，這可能是由于有機物料本身具有較高的碳含量，將其施用到土壤中會提升土壤有機碳含量，同時也提升了土壤碳氮比。本研究發(fā)現(xiàn)，與單獨施用化肥相比，有機-無機復合施肥等碳投入對水稻產(chǎn)量具有積極影響，這與前人的研究結果[38-39]相一致。不同類型的有機物料等碳投入對水稻增產(chǎn)的影響存在差異，其中有機肥處理具有顯著的增產(chǎn)效果。這可能是由于水稻秸稈的碳氮比（碳氮比 =50 ）較高，在短時間內，施用水稻秸稈會使土壤中微生物的氮素固定過程加快，對水稻生長發(fā)育產(chǎn)生消極影響，進而造成產(chǎn)量增加不顯著[40]。在本研究條件下，有機物料施用是一種增產(chǎn)、培肥的高效管理措施。

稻田系統(tǒng)排放溫室氣體受到多種因素的調控，包括土壤特性、環(huán)境條件以及所施用的有機物料的類型和數(shù)量[7，41-42]。有機物料的施用為土壤提供了大量的有機碳，提高了土壤碳氮比，刺激微生物的氮素競爭行為，從而減少了硝化和反硝化底物，并改善了土壤中微生物對氮的同化和固定[43]。這導致了土壤的硝化速率和硝酸鹽的可用性降低，最終導致稻田中 N₂O 排放量減少[44]。然而，由于有機肥中的有機碳比生物炭和水稻秸稈中的有機碳更容易降解[7，所以施用有機肥會導致異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)硝化細菌之間更強的 NH₄⁺ 競爭，從而使 N₂O 排放減少[45]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，碳源供給充分和堿性環(huán)境是造成硝化和反硝化過程中 N₂O 排放量降低的重要因子[46]。這是因為在堿性環(huán)境下， N₂O 還原酶在電子競爭方面的能力較差，這時候，電子供體充分的情況對促進 N₂O 的最終還原更有利[47]。有機物料的施用也總體降低了 CO₂ 的排放量，顯示出與 N₂O 排放類似的趨勢。有機物料具有較高的碳氮比，施用高碳氮比的有機物料，極易引起土壤中微生物與農(nóng)作物的氮素競爭，這一結果直接導致了土壤氮素的消耗，抑制了土壤微生物量碳和溶解性有機碳的消耗，間接抑制了 CO₂ 的排放[48]。在“微生物化學計量平衡理論”的框架下，采用施用氮肥等多種方法提升土壤中氮素的含量，將有助于增加微生物量。有趣的是，本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥導致CH₄ 累積排放量總體提升，這或許是由于有機肥為土壤提供了大量的碳源，進而選擇性地促進了特定的產(chǎn)甲烷菌群的生長[49]。然而，由于生物炭特殊的高溫制備工藝，使得它具備了與水稻秸稈和有機肥截然不同的碳組分特性，施入土壤后通過改善土壤的曝氣能力，增加了土壤氧化還原電位和 CH₄ 的氧化，從而間接降低了 CH₄ 的排放量[50]。總的來說，施用有機肥后 CH₄ 累積排放量顯著增加，最終導致稻田GWP顯著增加;而生物炭的施用抑制了 N₂O 和 CH₄ 的排放，導致稻田GWP的降低。這些結果突出了生物炭在減少稻田溫室氣體排放方面的顯著優(yōu)勢。應該避免新鮮秸稈的單獨施用，在實際農(nóng)事操作中，秸稈可與化肥配合施用，為微生物提供適宜的碳氮比，從而有效調控稻田生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體的排放。

通過三維熒光技術，本研究探究了不同有機物料等碳投入條件下，土壤溶解性有機質（DOM）熒光組分的組間差異。結果發(fā)現(xiàn)，DOM的熒光區(qū)域積分情況與特征指數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)出一致性。與CK相比，生物炭處理和有機肥處理的HA熒光區(qū)域積分降低，這與HIX的結果一致。說明等碳添加有機物料，對土壤中DOM的腐殖化程度產(chǎn)生了消極影響，間接提升了土壤中微生物對養(yǎng)分的分解和利用效率。此外，SMP主要來源于微生物代謝活動[51]，對自生源有機碳有較大的影響力。本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機物料后，土壤中的SMP占比較CK明顯提高，這與BIX的變化規(guī)律相一致。通過深人探究土壤DOM不同組分與稻田溫室氣體排放之間的相關性，本研究發(fā)現(xiàn)土壤DOM特性可能通過直接影響微生物活動，從而間接影響溫室氣體的排放。具體而言，一方面，API熒光區(qū)域積分與 CH₄ 累積排放量之間存在極顯著的相關性，API熒光區(qū)域積分與CO₂ 累積排放量之間存在顯著的相關性，由于微生物優(yōu)先利用更易降解的 DOM^[52] ，因此，大量的蛋白質樣組分為微生物的生長繁殖提供了有利的環(huán)境，間接導致了稻田 CO₂ 的大量排放。另一方面，API熒光區(qū)域積分、API熒光區(qū)域積分和SMP熒光區(qū)域積分均與 N₂O 累積排放量顯著或極顯著相關，DOM對微生物硝化、反硝化過程也有顯著影響[53]，類似酪氨酸的蛋白質被觀察到與 N₂O 累積排放量呈正相關，表明該部分蛋白質可能使土壤微生物細胞外的電子傳遞以及生物膜牢固性增強，從而提升反硝化速度及微生物反應活性[20]。除此之外，能夠在硝化反應中扮演重要角色的還有色氨酸蛋白、芳香族蛋白和腐殖酸，這些物質含量的增加將促使稻田 N₂O 的排放。由于有機物料輸入會降低土壤DOM腐殖化程度，所以有機物料輸入同時也會降低N₂0 的排放。在本研究中， HIX，API 熒光區(qū)域積分與 CH₄ 累積排放量呈顯著或極顯著負相關，這與前人的研究結果[54]相反， CH₄ 的排放主要是由蛋白質樣組分的分解促進的[55]。綜上所述，在等碳投入有機物料的稻田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤DOM組分的變化可能是施用有機物料處理下溫室氣體排放差異的主要驅動因素。

4結論

施用外源有機物料顯著改善了稻田土壤理化性質，提高了水稻產(chǎn)量，并改變了土壤DOM的組分和特性。其中，有機肥處理的增產(chǎn)效果最為明顯。不同有機物料對溫室氣體排放的影響存在差異，其中生物炭處理在減少溫室氣體排放和減緩溫室效應方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。土壤DOM組分的變化可能是施用有機物料處理下溫室氣體排放差異的主要驅動因素，這為稻田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體減排提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導。在未來的農(nóng)業(yè)管理中，應根據(jù)具體目標（如提高產(chǎn)量或減少溫室氣體排放）選擇合適的有機物料類型，以實現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

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（責任編輯：王妮）