土壤動物活動對農(nóng)田溫室氣體排放的影響

1、土壤動物活動對農(nóng)田溫室氣體（C0_2 N_2O排放的影響土壤微量氣體代謝是地球各圈層相互作用的重要研究內(nèi)容。 土壤圈、 生物圈 以及大氣圈之間通過碳（C）、氮（N）等元素循環(huán)及動力學(xué)過程相互作用，形成有機 連續(xù)體。土壤生物是地球化學(xué)過程 （生物小循環(huán) ）的驅(qū)動者, 調(diào)控微量氣體代謝 （例如 溫室氣體的生成、 消耗及傳輸?shù)?）, 進一步在大尺度上影響大氣環(huán)境及全球氣候變 化。蚯蚓是分布非常廣泛的土壤動物 , 在溫帶土壤無脊椎動物中其生物量最大 , 也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的大型土壤動物之一。但是 , 關(guān)于土壤動物特別是蚯蚓對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體排放影響的研究 尚不多見。本論文主要通過田間的盆栽

2、試驗 , 輔以微系統(tǒng)的培養(yǎng)試驗研究了在相 同環(huán)境條件下,接種蚯蚓對農(nóng)田C02和N20）*放的影響，以及作物秸稈不同的施入 方式下（混施和表施）蚯蚓和秸稈對稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)中 C02和N20）*放的綜合影 響、相關(guān)過程和可能機理。此外, 通過原位富化獲得不同密度食微線蟲并接種蚯蚓的培養(yǎng)試驗 , 研究了 線蟲和蚯蚓在微系統(tǒng)中對微量氣體代謝的貢獻及其相互作用 , 旨在進一步闡明土 壤食微線蟲和蚯蚓的相互作用及其對溫室氣體排放的影響。試驗結(jié)果表明： （1） 在施用秸稈并接種蚯蚓 （ 赤子愛勝蚓 ,Eisenia foetida） 的微系統(tǒng)試驗中 ,21 天的 培養(yǎng)期內(nèi),蚯蚓活動顯著提高了土壤 C02和

3、N20的排放量。與原土處理相比，單接種蚯蚓處理與單施加秸稈的處理導(dǎo)致 C02排放量分別 增加了 60唏口 1.35倍,N20排放量增加了 1.06倍和3.94倍。與單施加秸稈的處 理相比,接種蚯蚓并施加秸稈的處理導(dǎo)致 CO2和N2O排放分別增加了 41呀口 45%由于蚯蚓的直接排放量在該微系統(tǒng)中占有較大比例 , 當(dāng)蚯蚓的直接排放量被 扣除后,我們計算發(fā)現(xiàn)在未施加秸稈時,蚯蚓的存在并未導(dǎo)致C02和N2C排放量的 顯著增加；而施加秸稈后,接種蚯蚓使C02和N2O勺累積排放量增加了 21唏口 25%, 均達到顯著水平 (p<0.05) 。微系統(tǒng)中,蚯蚓取食秸稈并促使更多的秸稈分解轉(zhuǎn) 化,為C0

4、2和N20的產(chǎn)生提供了更多可利用的 C、N源。施用秸稈顯著提高了土壤微生物生物量 , 而單接種蚯蚓處理的土壤微生物生 物量相比對照反而降低 , 土壤呼吸作用的加強不能單純的歸因于土壤微生物量的 增加。接種蚯蚓使 N03-N 含量增加更顯著 , 不同處理土壤礦質(zhì)氮的分異主要取決 于N03-N含量的變化,與NH4+-N相比,N03-N含量對土壤N20排放的影響似乎 更為顯著。(2) 不同土壤線蟲密度下接種蚯蚓 (赤子愛勝蚓 ,Eisenia foetida) 的 15天培 養(yǎng)試驗結(jié)果表明，土壤動物對土壤溫室氣體(C02和N20)排放有顯著促進作用。與 滅線處理相比，高密度線蟲處理與高密度線蟲加蚯蚓

5、處理的C02排放量分別增加了 4.4倍和5.3倍,N20排放量增加了 1.8倍和2.7倍。接種蚯蚓在高密度線蟲土壤中較接種在低密度線蟲土壤中的C02和N20排放量分別增加了 13%和 28%,均達到顯著水平 (p<0.05) 。不同密度線蟲土壤中 C02 和N20排放的差異顯著,C02和N20排放量的變化顯示出線蟲在溫室氣體代謝過 程中具有顯著作用。兩種氣體的排放速率與土壤D0C濃度相關(guān),微系統(tǒng)土壤中更高的D0C含量預(yù) 示著土壤微量氣體的代謝活動加強?？鄢球局苯拥呐欧帕亢?, 蚯蚓并沒有產(chǎn)生 更高的C02排放量,但是當(dāng)與未接種蚯蚓的對應(yīng)處理相比，蚯蚓接種在高密度線 蟲土壤中時仍然顯著提

6、高了 N20的排放量，土壤動物之間的相互作用及其對微生物種類特性的影響也是決定溫室氣體排放的重要原因（3）通過田間試驗 , 研究了秸稈不同施用方式以及接種蚯蚓 （威廉腔環(huán)蚓,Metaphire guillelmi） 對稻麥輪作土壤中C02排放通量的影響。稻季和冬小 麥栽培季節(jié)中,C02累積排放量最大的均為混施秸稈處理,分別為1.60 kg m-2 和 2.11kg - m-2,其平均排放速率為 596.2 mg- m-2 h-1 和 540.6 mgm-2h-1。未加入秸稈和蚯蚓的對照處理累積排放量和排放通量均最低 , 平均排放速率為417.2 mg m-2.h-1（稻季）和352.8 mg

7、m-2 h-1（麥季）。相比對照處理，秸稈處理（混施或表施）在整個生育期內(nèi)顯著提高了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放通量，不同秸稈施用方式CO2的排放有差異。稻季混施秸稈較表施秸稈增加了 20%勺CO2排放量,顯著高于麥季的11%表 施秸稈有助于減少農(nóng)田土壤 C02排放量。蚯蚓的作用相對復(fù)雜：在稻季和麥季栽 培的早期（前1個月內(nèi)）,蚯蚓顯著促進了 C02的排放。而在整個生育期內(nèi) , 表施秸稈加蚯蚓處理較表施秸稈處理未有明顯差異；在 混施秸稈的情況下，蚯蚓的存在甚至降低了麥季農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放通量（p<0.05） 。在相對長期的試驗中 , 蚯蚓活動增加了土壤有機碳庫 , 與初期的物 理擾動增

8、加CO2排放不同的是,蚯蚓最終減少了土壤中C-CO2的逸失。通過相關(guān)性分析,我們發(fā)現(xiàn)SOC全氮和CO2排放量呈極顯著正相關(guān)，但MBC 和DOCS有表現(xiàn)出與CO2排放量的顯著相關(guān)性。試驗結(jié)果表明，DOC與MBC不適 合作為土壤有機碳長期累積性變化的指標(biāo) , 考慮到微系統(tǒng)中溫室氣體的排放速率 與土壤DOC濃度相關(guān),或許DOCS合指示短期瞬時的變化。（4）通過田間試驗 ,進一步研究了秸稈不同施用方式以及接種蚯蚓 （威廉腔環(huán)蚓,Metaphire guillelmi）對稻麥輪作系統(tǒng)N2O排放通量的影響。結(jié)果顯示不論 采用何種秸稈還田方式（混施或表施）,施加秸稈和接種蚯蚓均能增加N2O的排放量。在秸稈表

9、施情況下，接種蚯蚓處理在整個稻麥輪作生長季 N20的累積排放量達到最高的29.20 kg hm-2,平均排放速率為439.2卩g m-2 - h-1 ;對應(yīng)的不接 種蚯蚓處理為24.13 kg hm-2,平均排放速率為362.9卩g m-2 h-1,兩者差異 極顯著(p<0.01)。在秸稈混施時，接種蚯蚓后的處理N2OS積排放量為29.11 kg hm-2,而不接種蚯蚓的對應(yīng)處理 N2O累積排放量為26.90 kg hm-2,兩者在 稻季和麥季栽培后期均沒有表現(xiàn)出顯著性差異 , 表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中蚯蚓對 N2O 排放的貢獻主要體現(xiàn)在促進秸稈混入土壤，從而加快N的分解和N20的排放。養(yǎng)分富集過程(NEP)較腸道關(guān)聯(lián)過程(GAP)更好的解釋了接種蚯蚓后土壤所 表現(xiàn)出的生態(tài)效應(yīng)。稻、麥兩季觀測結(jié)果表明，接種蚯蚓處理土壤N的礦化作用 加強,礦質(zhì)N含量提高,銨態(tài)氮含量比較穩(wěn)定，硝態(tài)氮含量顯著提高，其中表施秸 稈接種蚯蚓處理硝態(tài)氮含量比未接種處理提高了 20.1%(p<0.01), 混施秸稈 接種蚯蚓使硝態(tài)氮含量較未接種處理提高了11.7%。相關(guān)分析表明,硝態(tài)氮含量與N2O排放密切相關(guān),接種蚯蚓后N2O)*放潛力的 提高可能與蚯蚓活動促進土壤氮素礦化特別是硝態(tài)氮含量的增加有關(guān)。 微系統(tǒng)和 田間的試驗結(jié)