全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆猿期摇 摇 圆园员猿年 员圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究 王摇 华袁欧阳志云袁任玉芬袁等 渊苑猿圆猿冤噎噎噎噎噎噎
三疣梭子蟹增养殖过程对野生种群的遗传影响要要要以海州湾为例 董志国袁李晓英袁张庆起袁等 渊苑猿猿圆冤噎噎噎
土壤盐分对三角叶滨藜抗旱性能的影响 谭永芹袁柏新富袁侯玉平袁等 渊苑猿源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南美斑潜蝇为害对黄瓜体内 源种防御酶活性的影响 孙兴华袁周晓榕袁庞保平袁等 渊苑猿源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物养分输入量的早期影响 肖银龙袁涂利华袁胡庭兴袁等 渊苑猿缘缘冤噎噎噎噎
茎瘤芥不同生长期植株营养特性及其与产量的关系 赵摇 欢袁李会合袁吕慧峰袁等 渊苑猿远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雷竹覆盖物分解速率及其硅含量的变化 黄张婷袁张摇 艳袁宋照亮袁等 渊苑猿苑猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渍水对油菜苗期生长及生理特性的影响 张树杰袁廖摇 星袁胡小加袁等 渊苑猿愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
广西扶绥黑叶猴的主要食源植物及其粗蛋白含量 李友邦袁丁摇 平袁黄乘明袁等 渊苑猿怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮素营养水平对膜下滴灌玉米穗位叶光合及氮代谢酶活性的影响 谷摇 岩袁胡文河袁徐百军袁等 渊苑猿怨怨冤噎噎噎
孕云韵杂对斑马鱼胚胎及仔鱼的生态毒理效应 夏继刚袁牛翠娟袁孙麓垠 渊苑源园愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
浒苔干粉末提取物对东海原甲藻和中肋骨条藻的克生作用 韩秀荣袁高摇 嵩袁侯俊妮袁等 渊苑源员苑冤噎噎噎噎噎噎
基于柑橘木虱 悦韵玉基因的捕食性天敌捕食作用评估 孟摇 翔袁欧阳革成袁载蚤葬 再怎造怎袁等 渊苑源猿园冤噎噎噎噎噎噎
健康和虫害的红松挥发物对赤松梢斑螟及其寄生蜂寄主选择行为的影响
王摇 琪袁严善春袁严俊鑫袁等 渊苑源猿苑冤
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种群尧群落和生态系统
小麦蚕豆间作对蚕豆根际微生物群落功能多样性的影响及其与蚕豆枯萎病发生的关系
董摇 艳袁董摇 坤袁汤摇 利袁等 渊苑源源缘冤
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喀斯特峰丛洼地不同生态系统的土壤肥力变化特征 于摇 扬袁杜摇 虎袁宋同清袁等 渊苑源缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估 李文静袁王摇 振袁韩清芳袁等 渊苑源远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
粉垄耕作对黄淮海北部土壤水分及其利用效率的影响 李轶冰袁逄焕成袁杨摇 雪袁等 渊苑源苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响 黄志霖袁田耀武袁肖文发袁等 渊苑源愿苑冤噎噎噎噎噎噎
基于 月孕 神经网络与 耘栽酝垣遥感数据的盐城滨海自然湿地覆被分类 肖锦成袁欧维新袁符海月 渊苑源怨远冤噎噎噎噎
寒温带针叶林土壤 悦匀源吸收对模拟大气氮沉降增加的初期响应 高文龙袁程淑兰袁方华军袁等 渊苑缘园缘冤噎噎噎噎
寒温针叶林土壤呼吸作用的时空特征 贾丙瑞袁周广胜袁蒋延玲袁等 渊苑缘员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原小麦田土壤呼吸季节和年际变化 周小平袁王效科袁张红星袁等 渊苑缘圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同排放源周边大气环境中 晕匀猿浓度动态 刘杰云袁况福虹袁唐傲寒袁等 渊苑缘猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施加秸秆和蚯蚓活动对麦田 晕圆韵排放的影响 罗天相袁胡摇 锋袁 李辉信 渊苑缘源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于水声学方法的天目湖鱼类资源捕捞与放流的生态监测 孙明波袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊苑缘缘猿冤噎噎噎噎噎噎
应用支持向量机评价太湖富营养化状态 张成成袁沈爱春袁张晓晴袁等 渊苑缘远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
亚热带 源种森林凋落物量及其动态特征 徐旺明袁 闫文德袁李洁冰袁等 渊苑缘苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青蒿素对蔬菜种子发芽和幼苗生长的化感效应 白摇 祯袁黄摇 玥袁黄建国 渊苑缘苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
晕韵参与 粤酝真菌与烟草共生过程 王摇 玮袁赵方贵袁侯丽霞袁等 渊苑缘愿猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于核密度估计的动物生境适宜度制图方法 张桂铭袁朱阿兴袁杨胜天袁等 渊苑缘怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施氮方式对转基因棉花 月贼蛋白含量及产量的影响 马宗斌袁刘桂珍袁严根土袁等 渊苑远园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
未来地球要要要全球可持续性研究计划 刘源鑫袁赵文武 渊苑远员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆怨圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 兴安落叶松林景观要要要中国的寒温带针叶林属于东西伯利亚森林向南的延伸部分袁它是大兴安岭北部一带的地带
性植被类型袁一般可分为落叶针叶林和常绿针叶林两类遥 兴安落叶松林景观地下部分为棕色森林土袁中上部为灰化
棕色针叶林土袁均呈酸性反应遥 随着全球气候持续变暖袁寒温针叶林生态系统潜在的巨大碳库将可能成为大气 悦韵圆
的重要来源袁研究表明袁温度是寒温针叶林生态系统土壤呼吸作用的主要调控因子袁对温度的敏感性随纬度升高而
增加袁根系和凋落物与土壤呼吸作用表现出相似的空间变异性遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 23 期
2013年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.23
Dec.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30370286); 江西省重点学科暨宜春学院重点学科“作物学冶基础研究资助项目
收稿日期:2012鄄08鄄20; 摇 摇 修订日期:2013鄄03鄄01
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: ltxls@ 139.com
DOI: 10.5846 / stxb201208201170
罗天相,胡锋, 李辉信.施加秸秆和蚯蚓活动对麦田 N2O排放的影响.生态学报,2013,33(23):7545鄄7552.
Luo T X, Hu F, Li H X. Influence of residues and earthworms application on N2O emissions of winter wheat. Acta Ecologica Sinica,2013,33 ( 23):
7545鄄7552.
施加秸秆和蚯蚓活动对麦田 N2 O排放的影响
罗天相1,2,*,胡摇 锋2, 李辉信2
(1.宜春学院 生命科学与资源环境学院, 宜春摇 336000;2. 南京农业大学 资源与环境科学学院, 南京摇 210095)
摘要:蚯蚓是农田生态系统的重要组成部分,对土壤的碳氮循环和 N2O排放起着重要作用。 为了研究接种蚯蚓(威廉腔环蚓,
Metaphire guillelmi)对农田土壤特性及 N2O排放通量的影响,分析蚯蚓在土壤 N2O排放中的作用,于 2007—2008年冬小麦生长
季采用静态箱鄄气相色谱法,对施用秸秆(表施和混施)并接种蚯蚓后土壤 N2O排放通量的变化进行了监测,结果显示接种蚯蚓
增加了土壤 N2O的排放量。 在秸秆表施的情况下,接种蚯蚓处理 N2O的排放量最大,全生育期达 14.26 kg / hm2,显著高于未接
种蚯蚓处理 11.59 kg / hm2(P<0.05)。 在秸秆混施时,接种蚯蚓与未接种蚯蚓的两个处理间 N2O排放量在栽培后期差异不显著。
接种蚯蚓处理土壤 N的矿化作用加强,矿质 N含量提高,铵态氮含量比较稳定,硝态氮含量显著提高,表施秸秆接种蚯蚓处理
硝态氮含量比未接种处理提高了 20.1% (P<0.05),达到 21.13 mg / kg,而混施秸秆后接种蚯蚓的硝态氮含量为 21.21 mg / kg,较
未接种处理提高了 11.7%。 分析表明,硝态氮含量与 N2O排放密切相关,接种蚯蚓后 N2O 排放潜力的提高与蚯蚓活动促进土
壤氮素矿化特别是硝态氮含量的增加有关,农田生态系统中蚯蚓对 N2O 排放的贡献主要体现在促进秸秆混入土壤,从而改变
秸秆分解的微域环境,促进反硝化作用并增加 N2O的排放。
关键词:蚯蚓;秸秆;N2O排放;矿质氮;冬小麦
Influence of residues and earthworms application on N2O emissions of winter
wheat
LUO Tianxiang1,2,*, HU Feng2, LI Huixin2
1 Yichun University in jiangxi Province, Jiangxi, Yichun 336000, China
2 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Earthworms, the most important macro鄄fauna in agroecosystem play an important role in nutrient cycling.
Earthworm activity is known to increase emissions of nitrous oxide (N2O) from arable soils. Earthworm gut, casts, and
burrows have exhibited higher denitrification activities than the bulk soil. Furthermore, the earthworm feeding strategy may
drive N2O emissions, as it determines access to fresh organic matter for denitrification. Here, a field experiment was
conducted to investigate the effects of residues and earthworm (Metaphire guillelmi) activities on soil properties and N2O
emissions. Treatments included: (1) no earthworm addition, no residues application (2) residues incorporated and mixed
with soil only, (3) residues mulch only, (4) residues incorporated + earthworms inoculation, and (5) residues mulch +
earthworms inoculation. These treatments were abbreviated as CK, I, M, IE and ME. The N2O fluxes was measured in situ
using the static chamber technique and analyzed with gas chromatogram in a winter wheat field. The results indicated that
Metaphire guillelmi significantly enhanced soil N2O emissions. Soil mineral nitrogen ( especially NO
-
3 鄄N content ) was
increased, and nitrogen mineralization was strengthened by earthworm activities. In the treatment with straw residues
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mulching, the cumulative emission amounts of N2O significantly increased from 11.59 to 14.26 kg / hm
2(P< 0.05) in the
presence of earthworm, with a corresponding increase in the contents of soil NO-3 鄄N by 20.1% (P< 0.05) and up to 21.13
mg / kg. However, if residues were incorporated into the soil, the earthworm effect disappeared in the late phase of the
experiment and with a corresponding increase in the contents of soil NO-3 鄄N by 11.7% and up to 21.21 mg / kg. Cumulative
emissions of N2O were positively correlated with the NO
-
3 鄄N content measured at the end of the experiment. The high N2O
emissions in the presence of Metaphire guillelmi, when residues mulched, suggest a stimulation of nitrogen mineralization
and mixing residue into the soil, switching residue decomposition from an aerobic and low denitrification pathway to one
with significant denitrification and N2O production.
Key Words: earthworm; residue; N2O emission; soil mineral nitrogen; winter wheat
氧化亚氮(N2O)是一种重要的大气微量气体,是致臭氧层破坏和温室效应的主要因素。 全球 N2O 排放
量 60%以上来源于土壤的生物活动,其中农田土壤约占土壤排放源的 40%,达 4.2 Tg N鄄N2O / a[1]。 N2O主要
由微生物活动引起的土壤硝化和反硝化过程产生,这些过程受到不同的土壤理化因素的调节,比如土壤水分
和通气状况,土壤类型和土壤 pH的影响。 蚯蚓是土壤生物的重要组成部分,与土壤理化性状的改变有密切
的关系。 蚯蚓活动能混合土壤,改善土壤结构,提高土壤透气、排水和深层持水能力,间接影响土壤硝化和反
硝化过程,可能成为陆地生态系统 N2O排放的生物源之一[2鄄3]。 近年来在微系统[4]和不同土壤类型上的中观
试验[5鄄12]也证实了蚯蚓活动与土壤 N2O排放有密切关系。
由于试验土壤类型和蚯蚓生态型的差异,有关蚯蚓对土壤 N2O 排放影响的研究结果还不尽一致。 蚯蚓
对土壤 N2O排放的影响与施加的外源作物秸秆及取食对策均有关联[5]。 蚯蚓能促使植物残体进入土壤,并
将植物残体中的 N转化为无机态形式,从而易于被植物和土壤微生物吸收利用,在秸秆还田时辅以蚯蚓处
理,有助于植物残体向土壤有机碳的转化[13]。 当秸秆混施入土壤时,接种深层种( anecic)蚯蚓 Apporectodea
longa能促进土壤 N2O 排放[10];秸秆表施时,表层种( epigeic)蚯蚓 Lumbricus rubellus[5鄄6]和深层种蚯蚓 A.
longa[6]将导致土壤 N2O 排放量的增加。 壤土中,内层种(endogeic)蚯蚓 A.caliginosa 仅在秸秆混施入土壤或
与表层种蚯蚓 L. rubellus一同存在时才会对土壤 N2O 排放具有促进作用[5],当 A.caliginosa 接种在沙质土壤
中,即使和 L.rubellus一同存在,该种蚯蚓也没有如壤土中一样增加 N2O的排放,甚至表现出抑制作用[8],这反
映出蚯蚓生态型不同的取食策略。 接种不同生态型蚯蚓时,甚至混施作物秸秆的不同深度也会影响到土壤
N2O的排放[14]。
此外,在探讨蚯蚓活动对土壤温室气体 N2O排放影响研究上,由于蚯蚓在森林和草地中具有较高的种群
密度,过去的结论多来自于这 2个生态系统[6鄄12],对农田生态系统关注不多。 但蚯蚓是农田生态系统的重要
组成部分,麦田中蚯蚓种群全年平均密度可高达 83.83 条 / m2[15],明确农田生态系统中蚯蚓对 N2O 排放的影
响,对于了解蚯蚓的生态功能,揭示蚯蚓活动对土壤温室气体代谢的影响,促进农田管理减排具有重要的意
义。 为此,在接种蚯蚓长期定位试验的基础上,通过农田冬小麦栽种试验,对施用秸秆(表施和混施)及接种
蚯蚓后土壤 N2O排放通量的变化进行初步研究,并从土壤特性和排放量上对蚯蚓的作用进行评估,为正确评
价农田土壤动物的生态功能提供依据。
1摇 材料和方法
1.1摇 试验地点和材料
盆栽试验于 2007年 11月—2008年 5月在南京农业大学常年定位网室内实施。 供试土壤为江苏省如皋
县搬经镇的高沙土。 网室内用混凝土砌成 2.8m伊1m伊0.6m的池子,填入深 50cm的供试土壤。
盆钵用紫砂泥烧制而成,钵高和内圆直径均为 20cm左右,盆钵上口有 1.5cm深的凹型槽用以在采样时注
水与采样箱密封,盆钵底部有直径为 2cm的小孔多个以渗漏降水。 每盆装供试土壤 4kg 左右,各供试土壤设
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置 3个重复。 为使盆钵土壤的温度与大田土壤温度一致并减少盆钵间的温度差异,盆钵的 4 / 5 高度埋入
土壤。
冬小麦品种为扬麦 158,小麦播种期为 11月 15日,11月 18日移栽入盆钵内,每盆移栽 4株,2008年 5月
10日收获。
土壤有机 C含量为 5.86g / kg,总 N含量为 0.70g / kg,总 P 含量为 0.66g / kg,速效 P 含量为 0.66mg / kg,速
效 K含量为 47.1mg / kg,pH为 8.25。
1.2摇 肥料施用
氮、磷和钾肥用量分别为 225kg / hm2(以纯 N计)、120kg / hm2(以 P 2O5计)和 120kg / hm2(以 K2O计),肥料
品种为尿素、过磷酸钙和氯化钾。 其中氮肥的 60%作为基肥,分蘖肥和穗肥各占 20%,磷、钾肥全作基肥。 有
机物料采用玉米秸秆,其基本性状为 14.63g N / kg,464.33g C / kg,2.85g P / kg,玉米秸秆 C / N 为 31.74,用量为
每盆钵施用 23.5g,折合约 7500kg / hm2。 玉米秸秆(粉碎至 2cm左右)与基肥一起施入,混施时与 0—20cm 土
壤均匀混和,这种秸秆施用方式与自然还田的实际情况接近;表施时则均匀覆盖于盆钵内土层表面。
1.3摇 蚯蚓接种
试验所用蚯蚓为威廉腔环蚓(Metaphire guillelmi),分类上属于 anecic,介于 epigeics 和 endogeics 之间,由
于盆钵表面积小,蚯蚓活动范围受到一定的拘束;试验土壤采集地的蚯蚓自然密度约为 60—80g / m2,故折合
到每盆钵约 2.5g蚯蚓生物量,即 2条成年蚯蚓被接种入盆钵。 作物移栽入盆钵后立即进行接种,接种之后浇
适量水,以便蚯蚓尽快适应环境。
1.4摇 试验处理
本实验共设 5个处理,各处理 3次重复:(1)对照,即不施用玉米秸秆,不接种蚯蚓(CK);(2)秸秆混施,
不接种蚯蚓(I);(3)秸秆表施,不接种蚯蚓(M);(4)秸秆混施,接种蚯蚓( IE);(5)秸秆表施,接种蚯蚓
(ME)。
1.5摇 土壤、气体采样与分析方法
试验的开始和结束期进行土壤理化性状测试,采集各处理土壤表层(0—20cm)样品。 用 K2Cr2O7氧化法
测定土壤有机碳(SOC);用半微量凯氏定氮法测定全氮(TN)。 NH+4 鄄N 用靛粉蓝比色法;NO
-
3 鄄N 用镀 Cu鄄Cd
还原法。
本试验气体样品采集采用静态箱鄄气相色谱法。 采样箱为圆筒型,用 PVC 材料制成,高 1m,箱体直径与
盆钵凹型槽直径一致。 采样箱外侧先包有一层约 5cm 厚的海绵,然后覆盖一层铝箔以减少采样期间由于太
阳辐射引起的箱内温度变化。 气体样品用带有开关的针筒采集,生长季节前中期每周 1 次,3 月中旬后每两
周 1次。 根据试验要求,采用 2—3 箱体平行采样,采样时间分别为关箱后的 0、5、10、15、20min,每次抽样
60 mL。 气体样品于采样当天用改装的 Agilent 4890D气相色谱仪分析 N2O的排放通量。 由于样品采集时采
样箱中包含正常生长的作物,因此该研究的温室气体排放通量代表该生态系统的温室气体排放。
N2O排放通量结果用每次测定 3个重复的平均值及标准偏差表示,排放量以生长季排放通量乘以生长季
的时间。
1.6摇 统计学检验方法
数据统计分析采用二因素(蚯蚓伊秸秆施用方式)方差分析蚯蚓和秸秆的交互作用,用单因素方差分析不
同处理间差异,差异显著性用 Duncan检验,所有统计分析均采用 SPSS统计软件。
2摇 结果与分析
2.1摇 不同处理间土壤化学性状的改变
经过冬小麦栽培,在收获期后不同处理土壤中有机碳和全氮含量变化明显(表 1)。 与对照相比,加施秸
秆处理(M、ME、I、IE)土壤有机碳和全氮含量均显著增加(P<0.05)。 混施秆秸处理(I和 IE)有机碳和全氮含
量显著高于表施秸秆处理(M和 ME)。 接种蚯蚓未对有机碳(SOC)与全氮产生显著影响,表明蚯蚓对有机物
7457摇 23期 摇 摇 摇 罗天相摇 等:施加秸秆和蚯蚓活动对麦田 N2O排放的影响 摇
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料的取食不会降低土壤有机碳和全氮含量。 所有处理土壤碳氮比均为 10 左右,各处理间差异不显著。 这表
明在秸秆常规施用量条件下接种蚯蚓并未引起土壤碳、氮总量的减少,土壤碳、氮基本维持平衡。 加施秸秆使
土壤有机碳的含量显著提高,这个现象与其它研究结果是一致的。 与表施秸秆相比,混施秸秆更有利于土壤
有机碳提高[16]。
表 1摇 不同处理土壤有机碳、全氮和矿质氮变化
Table 1摇 Changes of soil organic carbon, total nitrogen and mineral nitrogen content under different treatments
处理
Treatments
有机碳
Organic C / (g / kg)
全氮
Total N / (g / kg)
铵态氮
NH+4 鄄N / (mg / kg)
硝态氮
NO-3 鄄N / (mg / kg)
对照 CK 6.88依0.18c 0.69依0.03c 3.59依0.16c 16.69依1.66b
秸秆表施 Mulch(M) 8.71依0.47b 0.85依0.03b 3.86依0.16bc 17.59依0.86b
秸秆表施+蚯蚓 Mulch+earthworm(ME) 8.61依0.14b 0.83依0.02b 4.09依0.19ab 21.13依1.24a
秸秆混施 Incorporate(I) 9.24依0.11ab 0.92依0.01a 4.29依0.19a 18.98依0.77ab
秸秆混施+蚯蚓 Incorporate +earthworm(IE) 9.39依0.55a 0.91依0.04a 4.21依0.13a 21.21依2.87a
摇 摇 同一列数字无相同字母间差异达 5%的显著水平(Duncan检验)
土壤矿质氮主要包括铵态氮和硝态氮,不同处理间土壤 NO-3 鄄N含量均显著高于 NH
+
4 鄄N 含量。 蚯蚓的存
在显著提高了土壤中硝态氮的含量。 表施秸秆时,蚯蚓使硝态氮含量提高了 20.1%(P<0.05),达到 21.13mg /
kg;混施秸秆时,蚯蚓使硝态氮含量提高了 11.7%,并达到最高值 21.21mg / kg。 对照 CK处理的硝态氮含量最
低,为 16.69mg / kg。
2.2摇 蚯蚓和秸秆施用对 N2O排放的影响
蚯蚓和秸秆施用对 N2O排放的影响如图 1 所示:在小麦生长季整体排放趋势呈现两头高,中间低的走
势。 其排放峰主要出现在小麦生长的苗期和生长的末期。 在小麦生长前期,各处理间 N2O 排放较高的原因
可能是基肥用量较大,提供了充足的 N源,而且此时温湿度仍较适宜土壤 N2O 的生成与排放;中期由于气温
偏低,蚯蚓进入休眠停育阶段,而冬春季降雨又较多,由于农田土壤 N2O排放较强烈地受土壤湿度制约,土壤
湿度过大,不利于 N2O的生成与排放[17];后期随着温度的升高,湿度条件适宜,蚯蚓开始取食、活动,小麦生长
发育加速,有助于提高 N2O的生成和排放通量。
相比对照 CK处理,施加秸秆和接种蚯蚓均能显著提高 N2O 排放量(表 2)。 在秸秆表施的情况下,接种
蚯蚓 ME处理 N2O的排放量最大,全生育期达 14.26 kg / hm2,显著高于未接种蚯蚓 M处理(P<0.05),且这种
N2O排放的差异性无论在栽培前期还是后期均很显著。 在混施秸秆的情况下,接种蚯蚓 IE 处理在栽培前期
较未接种蚯蚓的 I处理差异仍显著,但在后期两处理间排放量无明显差异。 整个麦季对照 CK处理 N2O的排
放量最低,为 11.42 kg / hm2。
表 2摇 不同处理 N2O排放量(平均数依标准差)
Table 2摇 Amounts (mean 依 SD) of N2O emission
处理
Treatments
N2O排放量 N2O emmission / (kg / hm2)
麦季栽培前期移栽至 2008鄄01鄄28 麦季栽培后期 2008鄄01鄄28以后 麦季全生长期
对照 CK 5.55依0.40c 5.87依0.24b 11.42依0.64c
秸秆表施 M 5.71依0.02bc 5.88依0.14b 11.59依0.17c
秸秆表施+蚯蚓 ME 7.02依0.03a 7.23依0.34a 14.26依0.31a
秸秆混施 I 6.18依0.13b 6.84依0.32a 13.02依0.45b
秸秆混施+蚯蚓 IE 6.70依0.42a 7.23依0.08a 13.93依0.34a
摇 摇 同一列数字无相同字母间差异达 5%的显著水平(Duncan检验)
3摇 讨论
3.1摇 蚯蚓与 N2O排放
蚯蚓对 N2O排放的影响比较显著,虽仍没有达成一致的看法,但普遍认为蚯蚓促进了土壤 N2O 的排放。
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图 1摇 麦季 N2O排放通量的变化
Fig.1摇 Variations of N2O flux in wheat season
本研究中施加秸秆后,接种蚯蚓能显著提高土壤 N2O排放的通量。 农田中作物秸秆(混施或表施)是土壤中
产生 N2O的主要微生物过程———硝化和反硝化作用的重要 C和 N源。 与无作物秸秆还田相比,在土壤 N 源
充裕条件下作物秸秆施用往往导致较高的反硝化作用和 N2O排放。
在评估蚯蚓对植物残体分解和温室气体排放影响的研究中,有些研究是将植物残体表施在土壤上[18鄄19],
但秸秆混施于土壤则是更为常见的农业措施。 本试验中,在秸秆表施的情况下,接种蚯蚓后 N2O的排放显著
增加(P<0.05);而当秸秆混施时,蚯蚓的相对作用将减小。 通过取食并分解有机残体,蚯蚓使秸秆中的 N 素
等营养物质在耕作层中更均匀的分布和均衡利用。 这种混施秸秆的耕耘活动代替了蚯蚓的部分生态功能。
所以当秸秆混施时,蚯蚓尽管在前期对 N2O 的排放产生一定的影响,但在后期,蚯蚓的存在与否并没有显著
差异,这点与 Rizhiya等观测结果类似[6]。
目前,解释蚯蚓在土壤中的生态功能机理有 2 种推论[20],即养分富集过程(NEP)和肠道关联过程
(GAP)。 NEP 意味着蚯蚓通过混合并取食所添加的秸秆,导致土壤和蚓粪的养分富集,该过程将蚯蚓的作用
主要归因于蚯蚓在土壤中的迁移和取食作用,而不过多涉及其生理代谢过程。 GAP 则主要是包括与蚯蚓肠
道相关联的一系列生化反应过程,以及肠道分泌物和排泄分泌物中微生物和酶数量和活性的改变等。 微系统
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试验中,GAP 一般能很好的解释蚯蚓对于 N2O排放的促进作用[21]。 但本试验中,在秸秆不同施用方式下(混
施和表施)接种蚯蚓对农田 N2O排放的影响是有差异的,在田间的中观尺度下,NEP 的推论能更好的解释这
种现象:因为蚯蚓的活动,在表施秸秆的情况下,通过取食活动将秸秆混入土壤,使秸秆的分解由原来的好氧
和低硝化作用的环境转移到一个硝化作用显著加强的环境(NEP),从而促进 N的分解和 N2O的排放;而在混
施秸秆的情况下,蚯蚓的作用更多体现在肠道关联过程(GAP)上时,接种蚯蚓未能始终表现出对 N2O排放的
促进作用。 当然,蚯蚓在土壤中的生态作用同时包含了 NEP 和 GAP 两个过程,在中观试验的尺度下接种蚯
蚓后土壤所表现出的生态效应,但仍需大田试验以进一步观测。
3.2摇 土壤矿质氮与 N2O排放
蚯蚓等土壤动物通过掘穴、取食和排泄等活动对生态系统的理化和生物特性产生影响,这些因素又直接
或间接的影响着土壤的硝化与反硝化作用[22鄄23]。 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N 分别是硝化和反硝化反应的底物,N2O 的
产生受这些底物浓度的制约。 在本次试验中,重点观察了土壤矿质氮(包括 NO-3 鄄N 和 NH
+
4 鄄N)含量的变化与
N2O排放的关系。 在盆栽试验中,NO
-
3 鄄N含量均显著高于 NH
+
4 鄄N,土壤中 NO
-
3 鄄N浓度没有成为 N转化的限制
性因子。 接种蚯蚓处理的 NO-3 鄄N含量显著提高,混施秸秆时,接种蚯蚓 NO
-
3 鄄N含量最高,但在表施秸秆时,接
种蚯蚓使 NO-3 鄄N有更大的增幅(20.1%)。 蚯蚓对氮矿化的影响,可能与蚯蚓直接排泄富含有效氮的物质及
自体代谢分泌有关,也可能是蚯蚓活动促进了土壤微生物活性的提高及其向营养源富集场所的扩散,从而加
快了微生物对氮的周转和释放[24]。 不同处理土壤矿质氮的分异主要取决于 NO-3 鄄N 含量的变化。 由于土壤
中的 NO-3 鄄N不但促进反硝化速率,而且抑制或延迟 N2O还原为 N2 [6],所以蚯蚓可通过影响土壤 NO
-
3 鄄N 含量
间接促进土壤 N2O的排放。 通过相关性分析也发现,本试验中的土壤 NO
-
3 鄄N含量与 N2O排放量显著正相关
(见表 3)。
表 3摇 N2O排放量与土壤理化性状的相关分析表
Table 3摇 The correlation analysis of N2O emission and soil physical and chemical properties
N2O排放量 N2O emission NH+4 鄄N NO-3 鄄N 全氮 Total N
N2O排放量 N2O emission 1 0.800 0.990* 0.609
NH+4 鄄N 0.800 1 0.770 0.926*
NO-3 鄄N 0.990* 0.770 1 0.617
全氮 TN 0.609 0.926* 0.617 1
摇 摇 *相关性达 5%的显著水平(双边检验)
在 Malhi的研究中[25],通过 8a的田间试验,他们同样发现大多数情况下,耕作、施加作物秸秆和 N 肥的
输入并没有对作物土壤中的 NH+4 鄄N产生显著影响。 但在施加秸秆的处理中,NO
-
3 鄄N浓度在 0—15 cm的土壤
层中显著高于对照处理。 施加秸秆导致 NO-3 鄄N淋失加剧和 N鄄N2O排放量的增加,尤其是在秸秆过量的情况
下。 当深层种和内层种蚯蚓多时,会导致土壤滤出液中的 NH+4 鄄N浓度升高,而表层种蚯蚓则导致 NO
-
3 鄄N的浓
度升高[26]。 考虑到土壤矿质氮含量与 N2O排放的关系,不同生态型蚯蚓在土壤微量气体代谢中的作用也会
出现差异。
在本试验场所早期进行的一项试验表明,秸秆两种施用方式下,蚯蚓于分蘖期显著降低了矿质氮的含量
(分别为 24%和 32%),且在秸秆表施处理中降低程度更高。 在土壤中植物残体含量较高时,微生物加速繁
殖,生物的固定作用加强,蚯蚓使土壤可溶性有机氮的含量提高,导致了 N 向下运移和流失[27]。 在这个过程
中,流失的 N可能经由硝化和反硝化过程,部分转化为 N鄄N2O,以气态的形式逸失。
4摇 结论
接种蚯蚓和秸秆施用对土壤 N2O排放有显著影响,不同的研究,由于所采用的有机肥料和试验设计及方
法的不同,会导致研究结果的差异。 总体来说,施加秸秆后,蚯蚓的存在能够显著提高土壤中 N2O的排放量,
蚯蚓的这种作用当秸秆表施时更明显,而当秸秆混施进土壤后,尽管接种蚯蚓后将产生较高的排放量,但蚯蚓
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的相对作用将减小。 养分富集过程(NEP)较肠道关联过程(GAP)更好的解释了接种蚯蚓后田间土壤所表现
出的生态效应。 农田秸秆施用引起的 N2O排放量的差异,应该受外源 C、N供应水平、土壤供 N水平、微生物
对有机碳的分解及对 N的争夺利用等多因素制约。 因此,有关秸秆残体施用后接种蚯蚓对土壤 N2O 排放影
响的机理尚需进一步深入研究,碳氮同位素分析,分子生物学技术和图像分析技术等的应用将有助于蚯蚓生
态功能的研究[28],增加对蚯蚓生态型与土壤微生物群落之间的关系的了解。
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 凿藻藻责 增藻则贼蚤糟葬造造赠 则燥贼葬则赠 贼蚤造造葬早藻 燥灶 泽燥蚤造 憎葬贼藻则 葬灶凿 憎葬贼藻则 怎泽藻 藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠 蚤灶 灶燥则贼澡藻则灶 悦澡蚤灶葬忆泽 匀怎葬灶早鄄澡怎葬蚤鄄澡葬蚤 砸藻早蚤燥灶
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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本期责任副主编摇 王德利摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
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主摇 摇 编摇 王如松
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