白云石对酸性水稻土有机碳矿化的影响

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施用石灰类材料是常用的改良酸性土壤的措施之一。但施用石灰类材料会影响其他土壤过程,如碳、氮等元素循环。土壤有机碳(SOC)矿化不仅与土壤碳库及其稳定性有关,而且与大气中CO2浓度和全球气候变化之间存在紧密联系。因此,针对农田生态系统碳储存、排放和转化的规律及其影响因素的研究是碳循环研究的重要课题。然而,施用石灰类材料如何影响酸性土壤有机碳矿化?特别是外源有机物添加时施用石灰类材料对SOC矿化的影响及微生物作用机制如何,目前尚不是很清楚。因此,研究施用石灰类材料及其与其他农艺措施共同作用下SOC矿化的规律及其影响因素具有重要的科学意义。本研究选用采自湖北省蕲春县(S1)和赤壁市(S2)的两种酸性水稻土在室内进行培养试验,对培养期间土壤p H、矿质氮(铵态氮和硝态氮)、可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、纤维素和木质素分解相关土壤酶活性、碳分解功能基因丰度、温室气体排放以及CO2-13C同位素特征等进行了测定,探讨了施用不同粒径白云石以及白云石与土壤水分条件、施用氮肥和秸秆还田等共同作用对SOC矿化的影响机制。获得的主要研究结果如下:(1)白云石粒径、土壤水分条件、施氮肥均影响白云石对两酸性水稻土的改良效果。细粒径白云石(<0.15 mm)改良酸性土壤的效果最好。低水分条件下,即50%土壤持水能力(WHC)添加白云石使两酸性土壤p H达到或接近目标值(p H 6.50)。施氮肥削弱白云石对酸性土壤的改良效果。添加秸秆仅显著影响了白云石对土壤S2的改良效果。(2)土壤S1有机碳含量显著高于S2,培养期间其DOC含量及CO2排放量也高于后者,表明土壤本底有机碳含量影响其矿化量。与自身有机碳含量低的土壤相比,有机碳含量高的土壤可以提供更多的碳底物供微生物利用,从而产生更高的CO2排放。(3)白云石粒径显著影响土壤CO2累积排放量和SOC周转速率,细粒径白云石处理不仅显著促进CO2排放,也提高SOC矿化速率。与对照相比,粗粒径(0.25-0.5 mm)、中等粒径(0.15-0.25 mm)、细粒径(<0.15 mm)白云石处理分别增加了土壤S1中CO2排放量3%、11%和32%,S2中CO2排放量7%、21%和49%。此外,细粒径白云石处理均显著增加了两土壤有机碳分解速率常数(k),而中等和大粒径白云石处理对k值无显著影响,意味着白云石粒径不同,对SOC周转速率的影响不同。(4)不同水分条件下添加白云石均显著增加了两土壤CO2排放量。土壤S1中,水分为130%WHC时,CO2排放量最高,为0.73 g C kg-1;90%WHC时排放量次之,为0.66 g C kg-1;50%WHC时排放量最低,为0.29 g C kg-1。土壤S2中,水分为90%WHC时,CO2排放量最高,为0.51 g C kg-1;130%WHC时排放量次之,为0.45g C kg-1;50%WHC时排放量最低,为0.19 g C kg-1。水分从50%WHC提高至90%WHC显著增加了两土壤SOC矿化量;与90%WHC水分条件相比,淹水(130%WHC)促进土壤S1中有机碳矿化而抑制S2中有机碳矿化。(5)施用白云石总体上增加了土壤S1中各水分条件下N2O排放量,但降低了S2中N2O排放量。在50%WHC水分条件下添加白云石,两土壤排放的温室气体增温潜势最低。综合考虑不同水分条件下添加白云石对酸性稻田土壤的改良效果及温室气体增温潜势的影响,本研究推荐50%WHC作为白云石改良酸性水稻土的最佳水分管理策略。(6)单加氮肥对两土壤有机碳矿化无显著影响,而白云石与氮肥混施后土壤S1和S2有机碳矿化分别增加了39%和51%。与单施氮肥相比,白云石仍是影响SOC矿化的主要因素。土壤硝化作用对白云石或氮肥添加的响应与土壤本身的酸度有关,酸度越低,硝化作用响应越迅速、强烈。我们在评估施用石灰对酸性土壤改良效果和有机碳矿化的影响时,需要考虑氮的输入和土壤本身的性质,以便为农业生产实践中合理施用石灰提供指导和建议。(7)在添加白云石和秸秆的试验中,单加白云石显著增加了两土壤有机碳矿化量(增加15%-29%),白云石中80.75%-86.33%的碳以CO2形式释放。单加秸秆也显著增加了两土壤有机碳矿化量(增加15%-20%)。而白云石和秸秆混施显著降低了两土壤有机碳矿化量(降低18%-32%)。(8)单施白云石或者秸秆以及二者混施总体上均显著影响土壤内切-β-1,4-葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和漆酶活性以及GH48、cbhⅠ和LMCO功能基因丰度。冗余分析结果表明,影响SOC矿化的主要因素包括土壤p H、DOC、矿质氮、MBC、内切-β-1,4-葡聚糖酶和纤维二糖水解酶活性以及GH48、cbhⅠ、LMCO基因丰度;结构方程模型进一步表明,SOC矿化的直接影响因素主要为DOC和矿质氮,间接影响因素主要为p H。这些结果意味着施用石灰和秸秆还田等主要农艺措施在改变土壤酸碱度的同时,还可改变土壤养分(矿质氮)和微生物可利用底物(DOC)含量,从而影响土壤碳分解功能基因丰度,进而影响土壤纤维素酶和漆酶活性,最终调控SOC矿化。综上所述,白云石单独或者与氮肥、秸秆等同时施用时,其在改良酸性土壤的同时通常会影响SOC矿化过程和速率。因此,在酸性土壤改良过程中,要关注石灰类材料的施用与其他农艺措施对SOC矿化的共同影响,既要抓改良酸性土壤的效果,又要重视SOC的损失和温室气体减排。本研究在为农业生产实践提供指导、准确估算酸性稻田土壤改良过程中碳的释放、预测稻田土壤碳循环对全球气候变化的影响以及农业的可持续发展等方面具有重要的科学意义。
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