全 文 ：微生物生物量 C、土壤呼吸的季节性变化
与黑土稻田甲烷排放*
梁 巍* * 岳 进 吴 吉力 史 奕 黄国宏 梁战备
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室,沈阳 110016)
摘要 对黑土水稻田一个生长季中土壤微生物生物量 C、土壤呼吸和甲烷排放通量进行了监测. 结果表
明,在水稻生长初期,长效尿素能显著抑制微生物生物量 C 和土壤呼吸( P< 0. 05) . 间歇灌溉措施对二者
几乎没有影响. 间歇灌溉能减少稻田甲烷的排放, 平均排放量比对照减少了 32. 5% .长效尿素的施用稻田
使甲烷的排放略有增加. 施用长效尿素的处理,微生物生物量 C 与甲烷排放量之间呈显著正相关关系.
关键词 黑土 CH4排放 微生物生物量 C 土壤呼吸
文章编号 1001- 9332( 2003) 12- 2278- 03 中图分类号 S181 文献标识码 A
Seasonal variations of soil microbial biomass, respiration rate and CH4 emission in black earth rice f ields.
L IANG Wei, YUE Jin, WU Jie, SHI Yi, HUANG Guohong , L IANG Zhanbei (K ey L aboratory of T err estr ial E
cological Process , I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110016, China) . Chin .
J . A pp l. Ecol . , 2003, 14( 12) : 2278~ 2280.
The measurements o f so il microbial biomass C, respiration rate and CH4 emissions during one rice growth per iod
in black earth r ice fields showed that the soil microbial biomass C and respiration rate w ere depressed significantly
by the application of slowreleasing urea at the early stage of rice grow th period ( P< 0. 05) , but almost not af
fected by intermittent irrigation. The CH4 emission was decreased by 32. 5% in the intermittent irrigation treat
ments, but not significantly affected by the application of slowreleasing urea, compared to t he control. It was sig
nificantly related to soil microbial biomass C in slowreleasing urea treatments.
Key words Black earth, CH4 emission, M icrobial biomass, So il respiration.
* 国家重点基础研究发展规划资助项目( G1999011805) .
* * 通讯联系人.
2003- 02- 21收稿, 2003- 09- 01接受.
1 引 言
甲烷是重要的温室气体之一, 在大气中的含量
远低于 CO2,但其增温潜势却是 CO2 的 23倍[ 9] , 因
此备受世界各国研究者的关注. 稻田是甲烷的主要
排放源,其排放量占甲烷排放总量的 12% [ 8] . 目前
关于稻田甲烷排放的相关研究较多,大多数集中在
土壤性质、温度、肥料管理、灌溉、水稻品种等因素对
甲烷排放影响的研究上[ 2, 3, 16] , 对甲烷产生与氧化
相关的微生物的研究也多有报道[ 4, 7] .
土壤有机碳是土壤有机质的重要组成部分, 土
壤有效碳库在调节土壤碳素和养分流向方面有重要
作用, 而稳态碳即稳态有机质只影响土壤性
质[ 1, 11] . 土壤微生物生物量 C和土壤呼吸作用所释
放的 CO2均属于土壤有效碳库,是土壤有机碳中易
被调动,易发生变化的一部分.目前关于这部分活跃
有机碳与甲烷排放关系的报道较少.本文将对水稻
生长季中微生物生物量 C 和土壤呼吸的季节性变
化进行阐述,并就土壤有效碳库中的微生物生物量
C与稻田甲烷排放的关系作以初步探讨.
2 材料与方法
2 1 试验地概况
本试验的试验地选择在黑龙江的海伦生态站 ( 47!26∀N,
126!38∀E) . 以黑土为研究对象. 土壤的理化性质为: pH 值
7. 02,有机质平均含量 48. 2 g#kg- 1 ,全量 N 2. 2 g#kg- 1 , 碱
解 N 239. 7 mg#kg- 1 . 选取 3 块条件基本相同的水稻田 (每
块稻田面积各为 0. 07 hm2 ) , 实行不同的水肥处理方式. 其
中, A )长期淹灌:施长效尿素; B)对照组: 长期淹灌, 施普通
尿素(同当地水肥管理方式) ; C)间歇灌溉:施普通尿素.
插秧时间为 5 月 28 日, 收割时间 9 月 30 日. 水稻间歇
灌溉的晒田时间为 7 月 3~ 13 日; 8 月 1~ 8 日; 8 月 28 日水
田彻底排水. 水稻品种为绥梗三号.
普通尿素与长效尿素施用量均为 95. 4 kgN#hm- 2. 普通
尿素分 3 次施入(一次底肥施入的时间为 5 月 20 日,二次追
肥是在 6 月 7 日、6 月 23 日) , 长效尿素一次底肥施入.普通
尿素和长效尿素均由德国 SKW公司提供.
2 2 分析方法
2 2 1 CH4 的采集 CH4 的通量测定采用封闭式箱法,每一
应 用 生 态 学 报 2003年 12 月 第 14 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2003, 14( 12)∃2278~ 2280
处理 3 个重复(即随机取 3 个不同样点进行采气) .采样频率
为每星期一次.在 10∃00~ 11∃00进行采样.
222 CH4 的测定 用岛津 GC14B 气相色谱仪测定 CH4 ,
F ID检测器, 气化室、分离柱、检测器的温度分别为 100 % 、
100 % 、200 % , 高纯 N 2 作为载气.标准 CH4 由国家标准物
质研究中心提供.
223 土壤呼吸与微生物生物量 C 的测定 在试验田地用
土钻采取 5 cm 深土层的土壤. 用冰桶带回实验室.放入 4 %
冰箱冷藏保存.一个星期之内完成土壤呼吸的测定及微生物
生物量的浸提工作.土壤呼吸采用室内密闭培养法测定[ 12] .
用 NaOH 溶液作为 CO2 吸收溶液. 培养完毕后, 用标准酸滴
定 NaOH 溶液. 微生物生物量 C 采用氯仿熏蒸K2SO 4 浸提
法[ 12]测定. 对于浸提液的测定,详细操作过程参见文献[ 12] .
224 数据统计分析 采用 SPSS10. 0 软件.
3 结果与讨论
31 水稻生长季内土壤微生物生物量 C季节变化
由图 1 可见, 3个试验处理的土壤微生物生物
量 C均随着水稻生长季的变化呈现先增长、后下降
趋势.在水稻生长前期微生物生物量 C 有所减少,
可能与水稻插秧前的耙地措施有关[ 6] . 随着水稻的
生长发育进程, 微生物生物量 C 逐渐呈上升趋势.
这是由于土壤中大多数微生物属于有机营养型, 随
着水稻根系分泌物和脱落物的不断增加及温度的升
高,土壤中有机物质逐渐增多,为土壤微生物提供了
较充足的能源和营养源, 加速了微生物的自身合成
代谢, 使微生物生物量 C 增加, 并随着水稻的生长
逐渐达到最大值. 随后微生物生物量 C 有所下降,
至水稻收获,基本降至原来水平.这种变化趋势与前
图 1 水稻生长季中微生物生物量 C的变化
Fig. 1 S easonal variation of microbial biomass C during rice grow th peri
od.
A:长效尿素、长期淹灌处理 Treatm ent of slowreleasing urea, cont inu
ous irrigat ion; B:普通尿素、长期淹灌处理 Treatment of urea, cont inu
ous irrigat ion; C: 普通尿素、间歇灌溉处理 T reatment of urea, inter
mit tent irrigation.下同 The same below .
人在小麦田所做的结果大致相同[ 5] .
到达最大值后, A、B、C 3个处理的微生物生物
量 C与水稻生长初期相比, 增长幅度分别为 35%、
56%和 42%.可见施用长效尿素的 A处理微生物生
物量的增长速度相对较慢.原因可能是长效尿素的
施用抑制了微生物的生长代谢活动. 用单因素方差
分析和多重比较的方法对数据进行处理后发现,
6. 14与 7. 11这两个时间段的微生物生物量 C A处
理与 B处理之间差异显著 (其中 6. 14: P= 0. 01<
0. 05; 7. 11: P= 0. 018< 0. 05 ) .由此可以推断, 在水
稻生长初期长效尿素对微生物生物量 C 的生成确
有抑制作用.大概是长效尿素中含有的 DCD(双氰
胺) 抑制了土壤中微生物的活性,降低了微生物利
用土壤中的碳源合成自身物质的效率.
统计分析结果表明, 进行干湿交替的 C 处理与
对照之间并无显著差异( P 值均大于 0. 05) .尽管有
文献表明,土壤的干湿交替能够促进微生物生物量
C的变化[ 14] ,但在本试验中水稻田间歇灌溉的措施
对土壤中微生物生物量 C的变化基本没有影响.
32 水稻生长季内土壤呼吸的季节性变化
由图 2可以看出, 3个处理土壤呼吸的变化规
律基本相同,均随着水稻生长季的变化,呈现先有所
增加,随后略有下降,接着又逐渐增加的趋势.在生
长前期,土壤呼吸强度增大,可能与土壤中微生物活
性的增强有关.春末夏初的 6 月份, 气温逐渐升高,
土壤中的微生物正处于较旺盛的生命代谢状态, 加
上水稻根系分泌物的增加导致土壤中有机质积累,
为微生物提供了大量可利用的底物, 因此促进了微
生物的呼吸作用. 这与杨靖春[ 15]在草原所得的结果
相同.除在 7月中下旬,土壤呼吸强度略有下降外,
进入 8月份后,土壤呼吸一直呈上升趋势.尤其是在
水稻生长的末期, 水田彻底排水后,土壤呼吸强度不
降反升, 这可能与土壤含水量的变化有关[ 10, 13] . 本
实验中,由于水稻田土壤长期处于淹水状态,土壤含
图 2 水稻生长季中土壤呼吸的变化
Fig. 2 Seasonal variat ion of soil respiration during rice growth period.
227912 期 梁 巍等: 微生物生物量 C、土壤呼吸的季节性变化与黑土稻田甲烷排放
水量很高,几近饱和状态,土壤中嫌气微生物占主体
位置, 好气微生物的活性受到抑制. 在水田排水后,
土壤含水量减少,土壤的通气性增强,好气微生物开
始活跃,加上气温仍然偏高,而这些条件均有利于土
壤呼吸作用的增强,因此, 即使在水稻生长末期, 土
壤呼吸仍呈上升趋势.
施用长效尿素的水田处理, 其土壤呼吸与施用
普通尿素的处理相比,增长幅度较慢.统计处理结果
表明, 6. 14、7. 11 及7. 25 3个时间段中 A 处理与 B
处理的土壤呼吸差异显著 (其中 6. 14: P= 0. 003<
0. 05; 7. 11: P= 0. 000 < 0. 05; 7. 25: P = 0. 034 <
0. 05) .可见在水稻生长初期, 长效尿素对土壤呼吸
有抑制作用,可能是长效尿素中的 DCD抑制了土壤
中微生物的活性.土壤呼吸是土壤微生物总的活性
指标.硝化抑制剂DCD 能抑制土壤中与硝化作用
有关的微生物的活性. 这一部分微生物的活性受到
抑制后,土壤微生物总的活性状况势必受到影响, 其
表现为土壤呼吸有所下降.
C 处理(间歇灌溉处理)的土壤呼吸状况与另两
个处理之间没有显著性差异( P> 0. 05) . 如前所述,
土壤含水量是决定土壤呼吸强度的关键因子之
一[ 10, 13] ,但本试验中的间歇灌溉处理并未对土壤呼
吸产生显著性影响.原因是土壤中的微生物对稻田
排水后土壤水分变化的反应存在滞后性, 即土壤呼
吸的变化与土壤水分变化并不完全同步.
33 甲烷排放状况及其与微生物生物量 C关系
由图 3可知, C 处理(间歇灌溉处理)稻田的两
次排水对甲烷排放产生很大影响.这两个时期甲烷
排放量急剧下降,几乎为零.与 B处理相比, C 处理
稻田的甲烷平均排放量减少了 32. 5% . 而 A 处理
(施用长效尿素)的甲烷平均排放量与 B处理相比
增加了 15% ,增加幅度较小.
对微生物生物量 C 与甲烷排放的相关性统计
分析表明, 长效尿素处理的稻田甲烷通量与微生物
生物量C呈显著正相关关系(表1) .而另外两个处
表 1 长效尿素处理甲烷通量与微生物生物量 C的相关性
Table 1 Correlation between CH4 flux and microbial carbon in slow re
l easing urea treatment
微生物生物量
Microbial
carbon
甲烷通量
CH4 flux
微生物生物量 C 泊松相关 1. 000 0. 794*
M icrobial carbon Pearson correlat ion
sig. ( 2t ailed) 0. 019
N 8 8
甲烷通量 Pearson correlat ion 0. 794 1. 000
CH4 f lux sig. ( 2t ailed) 0. 019
N 8 8
* Correlat ion is signif icant at th e 0. 05 level ( 2t ailed) .
图 3 水稻生长季中甲烷通量的变化
Fig. 3 Variat ion of CH4 f lux during rice grow th period.
理的微生物生物量 C 与甲烷通量之间不显著相关.
总的说来, 土壤微生物生物量 C的变化与甲烷排放
通量之间没有显著的相关性.
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作者简介 梁 巍, 女, 1976 年生, 博士,主要从事农业生态系
统生物源温室气体排放研究. Email: liangwei76@ 163. com
2280 应 用 生 态 学 报 14卷