土壤水分和碳氮有效性对水稻土CH与CO排放的影响

作     者：黄斌 徐明岗 胡荣桂 邬磊 

作者机构：山西农业大学资源环境学院 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 华中农业大学资源与环境学院 

出 版 物：《环境科学》 (Environmental Science)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(41907093) 中国农业科学院青年创新专项(Y2023QC16) 

主　　题：水稻土 土壤水分 碳氮有效性 甲烷(CH ) 二氧化碳(CO ) 

摘      要：近年来，社会经济快速发展和人们膳食结构改善驱动了稻田转为旱地作物种植，改变了土壤水分含量和碳氮有效性及其引起的温室气体排放强度。因此，有必要研究稻田转为旱地，特别是该土地利用方式转变初始阶段，土壤水分变化和碳氮有效性对温室气体甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)排放的影响及其关键控制因素。研究采集了长期种植水稻的土壤和由稻田转为旱地作物种植的土壤样品，通过室内模拟试验将水稻土设置淹水（水土比为2:1）和由淹水到缓慢落干处理（土壤水分由水土比2:1缓慢降低到70%田间持水量，随后保持稳定不变），与旱地土壤（土壤水分维持70%田间持水量）对比分析。每一种水分梯度下分别设置不添加葡萄糖（C）和NH4Cl（N）、添加C、添加N和添加CN这4个处理，培养过程中定期测定CH4和CO2排放通量、土壤化学生物性质，并计算培养期间（培养结束时的值减去初始值）土壤微生物生物量碳（ΔMBC）、溶解性有机碳（ΔDOC）和矿质氮(ΔMineral-N，含ΔNH4+-N和ΔNO3--N)的含量变化，以期探明土壤水分变化和碳氮有效性及其交互作用对水稻土CH4和CO2排放的影响。研究结果表明，与淹水处理相比，水稻土落干处理CH4排放显著降低了95%，CO2排放增加了46%。落干水稻土CH4和CO2排放[累计排放量（以C计，下同）分别为1.36 mg·kg-1和584.13 mg·kg-1]明显高于旱地土壤(0.01 mg·kg-1和407.70 mg·kg-1)。在淹水水稻土中，与碳氮不添加处理相比，碳添加处理CH4排放显著增加了40%，氮添加处理CH4排放显著降低了63%，碳氮同时添加对CH4排放无显著影响。在落干水稻土中，只添加碳处理CH4排放显著增加了48%，其他处理无显著差异。在旱地土壤中，碳氮有效性对CH4排放无显著影响，但均显著增加CO2排放（45%～109%）。碳氮有效性对淹水水稻土CO2排放无显著影响，但落干水稻土同时添加碳氮处理CO2排放显著增加了36%。土壤水分变化和氮添加对CH4排放无显著交互作用，而土壤水分变化和碳及碳氮同时添加交互影响CH4排放，土壤水分变化和碳氮有效性对CO2排放的影响无明显的交互作用。淹水稻田落干转为旱地降低了土壤pH、DOC、MBC和NH4+-N含量，增加了NO3--N含量，碳氮添加显著影响土壤化学生物学性质。相关性分析结果表明，CH4排放与土壤pH、ΔMBC和ΔNH4+-N显著正相关，与ΔNO3--N显著负相关，而CO2排放与ΔNO3--N显著正相关，与pH、ΔDOC、ΔMBC和ΔNH4+-N显著负相关，土壤水分变化和碳氮有效性引起的土壤化学生物性质的变化是水稻土CH4和CO2排放的主要影响因素。综上所述，土壤水分和碳氮有效性变化通过影响土壤化学生物性质调控CH4和CO2排放，水稻土排水落干是减少CH4排放的有效措施，但需考虑短期内CO2排放增加的风险。建议在制定稻田利用方式转变过程中温室气体减排策略时，需综合考虑水分和碳氮管理的影响，减少淹水时间并合理施肥，以实现温室气体有效减排和农业绿色可持续生产。