水钠锰矿添加对两种水稻土氧化亚氮排放的影响

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氧化亚氮(N2O)是温室效应仅次于二氧化碳(CO2)与甲烷(CH4)的温室气体,其升温潜力约是CO2的298倍,可使全球气温升高并破坏臭氧层。农业生产排放的N2O占人类活动产生的N2O的41.7%,其中水稻生态系统中氮肥施用量大、利用率低,可产生大量的N2O。我国是世界上水稻种植面积最大的国家之一,水稻种植面积约占世界的28%。水稻土中锰氧化物的氧化还原状态可随水稻种植期间土壤氧化还原条件的频繁变化而改变,锰在好氧与厌氧条件下均可参与土壤氮循环过程,促进土壤N2O产生或者使N2O还原为氮气(N2),从而影响水稻土N2O排放。目前关于锰氧化物对水稻土N2O排放速率、排放量、排放途径以及微生物影响的研究较少,因此本研究使用水钠锰矿处理后的土壤,通过室内培养探究了不同锰含量对土壤N2O排放速率及微生物群落结构的影响,并使用不同类型氮源与乙炔区分锰对土壤硝化作用及反硝化作用的影响,明确了锰影响下土壤N2O排放的过程,为水稻种植地区制定生产管理措施、减少N2O排放提供了理论依据。主要研究结果如下:(1)水钠锰矿降低了黄棕壤性水稻土的N2O排放速率、排放量以及p H,增加了土壤硝化潜势、净矿化速率与水溶性有机碳含量;而在红壤性水稻土中却增加了N2O排放速率、累计排放量以及p H,降低了土壤硝化潜势、净矿化速率与水溶性有机碳含量。黄棕壤性水稻土0.1%处理的N2O累计排放量由对照处理的1521.9μg kg-1降低到1375.7μg kg-1,红壤性水稻土0.1%处理的N2O累计排放量由对照处理的407.0μg kg-1增加到1595.7μg kg-1。(2)黄棕壤性水稻土与红壤性水稻土相对丰度最高的优势菌门均为变形菌门、酸杆菌门与绿弯菌门,相对丰度最高的属为Candidatus_Udaeobacter、Gemmatimonas、Ramlibacter。对照处理中红壤性水稻土的微生物物种丰富度高于黄棕壤性水稻土,但是微生物物种均匀度低于黄棕壤性水稻土。黄棕壤性水稻土的Chao1指数与Shannon指数分别为3654与9.778,红壤性水稻土Chao1指数与Shannon指数分别为4684与9.073。水钠锰矿提高了黄棕壤性水稻土的微生物物种丰富度,但降低了其微生物物种均匀度,使黄棕壤性水稻土的微生物物种丰富度与均匀度在加入水钠锰矿后均高于红壤性水稻土,加入水钠锰矿后黄棕壤性水稻土的Chao1指数由对照处理的3654增加至0.1%处理的5245,Shannon指数由对照处理的9.778下降为0.1%处理的9.474。红壤性水稻土与黄棕壤性水稻土处理的微生物物种种类与丰度上差异显著(Anosim,P=0.001,R=0.934),而红壤性水稻土与黄棕壤性水稻土的对照处理也分别与水钠锰矿处理的微生物物种种类与丰度上呈现显著差异。(3)水钠锰矿提高了反硝化过程N2O累计排放量,降低了硝化作用N2O累计排放量。加入硝酸钾后,N2O排放量由对照处理的858μg kg-1增加至0.1%处理的1612μg kg-1,加入硝酸铵后,N2O累计排放量由对照处理的1330μg kg-1降低为0.1%处理的1030μg kg-1。水钠锰矿降低了加入硝酸钾的处理中反硝化作用对N2O排放的贡献,由对照处理的60%降低至0.1%处理的45%,增加了加入硝酸铵处理中反硝化作用对N2O排放的贡献,由对照处理的48%增加至0.1%处理的55%。(4)黄棕壤水稻土含水量为100%WHC时的N2O累计排放量高于60%WHC时的累计排放量,其N2O累计排放量比土壤含水量为60%WHC时高出两个数量级,但60%WHC时的土壤硝化潜势、净硝化速率与净矿化速率均高于100%WHC。水钠锰矿降低了不同含水量条件下的N2O排放量、土壤硝化潜势以及60%WHC时的净矿化速率,但增加了100%WHC时的土壤净矿化速率。综上,水钠锰矿对黄棕壤性水稻土N2O排放的抑制主要是因为对硝化作用的抑制,并且由于抑制了硝化作用而影响了水钠锰矿与硝化作用、反硝化作用的生物化学耦合过程,进一步降低了N2O排放。水钠锰矿对土壤硝化作用微生物的抑制作用在长时间的培养中逐渐减弱,微生物活性得到一定的恢复。
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