【摘要】：土壤有機(jī)碳與土壤的健康和生產(chǎn)力密切相關(guān)。以免耕和秸稈還田是提高土壤有機(jī)碳含量的有效措施。盡管有研究報道了不同耕作措施與秸稈還田方式對作物產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳庫和微生物多樣性的影響,然而,免耕與秸稈還田下土壤有機(jī)碳庫的微生物驅(qū)動機(jī)制尚未明確。因此,研究免耕與秸稈還田對土壤有機(jī)碳庫、溫室氣體排放和微生物多樣性的影響,以及土壤有機(jī)碳庫的微生物驅(qū)動機(jī)制,具有重要意義。本研究于2012-2014年在湖北省武穴市大法寺鎮(zhèn)的試驗基地進(jìn)行,以我國長江中下游典型的稻麥種植系統(tǒng)為研究對象。大田試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計,其中耕作措施(常規(guī)翻耕與免耕)為主區(qū),秸稈還田方式(前茬作物秸稈全量還田和秸稈不還田)為副區(qū),共有4個處理,3個重復(fù),共計12個小區(qū),處理分別為:翻耕+秸稈不還田(Conventional intensive tillage with straw removal,CTNS)、翻耕+秸稈還田(Conventional intensive tillage with straw returning,CTS)、免耕+秸稈不還田(No tillage with straw removal,NTNS)與免耕+秸稈還田(No tillage with straw returning,NTS)。經(jīng)過3年的稻麥種植,主要的試驗結(jié)果如下:(1)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表土層(0~5 cm)土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)、可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)、微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和土壤團(tuán)聚體SOC。與翻耕相比,免耕處理下土壤SOC、DOC、MBC、2~1 mm和1~0.25 mm土壤團(tuán)聚體SOC含量分別提高了2.3%~15.5%、8.8%~12.6%、15.1%~39.8%、4.6%~19.9%和13.4%~14.6%。與秸稈不還田相比,秸稈還田提高了SOC、DOC、MBC、2~1 mm和1~0.25 mm土壤團(tuán)聚體SOC的含量,分別為6.5%~9.5%、13.0%~29.9%、18.1%~33.3%、12.5%~17.4%和6.2%~7.0%。(2)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表層土(0~5 cm)CO_2和CH_4的累積排放量,然而對土壤N_2O排放無顯著影響。與翻耕相比,免耕處理CO_2排放量和CH_4排放量分別降低7.2%~19.8%和5.8%~19.7%。與秸稈不還田相比,秸稈還田處理CO_2排放量和CH_4排放量分別增加了9.1%~4.1%和18.6%~232.9%。(3)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表層土(0~5 cm)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。與翻耕相比,免耕處理土壤細(xì)菌的生物量、辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)分別提高了45.4%~74.6%、2.3%~3.4%和6.1%~12.2%,然而,免耕處理革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌(G~+/G~-)和單不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸(MUFA/STFA)分別降低了12.0%~25.4%和28.2%~42.3%。與秸稈不還田相比,秸稈還田處理的土壤細(xì)菌生物量、MUFA/STFA、辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)提高了20.6%~58.1%、5.9%~30.0%、3.1%和12.8%,然而秸稈還田處理降低了G~+/G~-9.5%~20.7%。(4)耕作措施與秸稈還田方式顯著影響表層土(0~5 cm)土壤微生物功能多樣性。與翻耕相比,免耕處理土壤微生物的香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)和均勻度指數(shù)分別提高了1.9%~7.1%、0.3%~1.3%和1.3%~2.7%。與秸稈不還田相比,秸稈還田處理土壤微生物的香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)和均勻度指數(shù)分別增加了17.1%~25.5%、12.0%~27.5%、19.6%~33.7%、1.1%~8.8%、0.2%~1.5%和1.3%~3.8%。綜上所述,經(jīng)過3年的稻麥種植,本研究發(fā)現(xiàn)免耕與秸稈還田是增加長江中下游稻麥種植系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量的有效途徑。耕作措施與秸稈還田方式通過影響細(xì)菌群落,改變了2~1 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和甲烷排放,從而影響土壤有機(jī)碳含量。然而,免耕與秸稈還田下土壤(0~20 cm)有機(jī)碳庫微生物驅(qū)動機(jī)制,還需要長期定位試驗進(jìn)一步研究。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S154.3;S153.6
【圖文】：

華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018 屆博士研究生學(xué)位（畢業(yè)）論文6圖1-1 土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體形成模型（Blanco-Canqiu et al 2004）Fig. 1-1 Selected models of macro- and microaggregation of soils1.3.2 土壤團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制土壤有機(jī)碳在土壤中的固定主要由土壤團(tuán)聚體所提供的物理、化學(xué)和物理-化學(xué)保護(hù)水平所決定的（Blanco-Canqui and Lal 2004; Six et al 2014），土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的固定機(jī)制如圖1-2所示。物理保護(hù)為土壤大團(tuán)聚體和土壤微團(tuán)聚體將土壤有機(jī)碳固定在團(tuán)聚體內(nèi)部，化學(xué)保護(hù)則涉及到有機(jī)碳顆粒的吸附與將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的土

華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018 屆博士研究生學(xué)位（畢業(yè)）論文8圖1-2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的固定機(jī)制（Blanco-Canqui and Lal 2004）Fig. 1-2 Pathways of soil organic carbon (SOC) sequestration by aggregates1.3.3 耕作措施與秸稈還田方式對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響耕作措施是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素，免耕增加土壤有機(jī)碳的含量往往與改善了土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性有關(guān)（Angers 1998）。一般認(rèn)為免耕增加了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量（Sheehy et al 2015; Guo et al 2015）。免耕可能通過增加了土壤有機(jī)碳含量較高的土壤大團(tuán)聚體含量，并且降低了土壤大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)速率（Du et al 2015;Sheehy et al 2015），從而增加土壤體有機(jī)碳含量。Messiga等（2011）則指出翻耕的土壤擾動，破壞了土壤的大團(tuán)聚體，也使得大團(tuán)聚體中的碳被釋放出來，降低了大團(tuán)聚體的含量。另外，與翻耕相比，免耕促進(jìn)了土壤中蚯蚓數(shù)量的增加，增強(qiáng)土壤的團(tuán)聚性，并且促進(jìn)更多的土壤有機(jī)碳被固定到大團(tuán)聚體中（Giannopoulos et al 2010;Sheehy et al 2015）。秸稈還田是增加土壤碳輸入的重要措施，主要是通過形成腐殖質(zhì)與促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成來實(shí)現(xiàn)增加土壤有機(jī)碳含量（Liu et al 2014; Zhao et al 2018）。很多研究表明秸稈還田促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成

括熱帶地區(qū)森林的采伐等，其中74%的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)溫室氣排放源于發(fā)展中國家（Gattinger et al 2014）。Tubiello等（2013）研究表明2010年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對全球溫室氣體排放的貢獻(xiàn)為10~12%（圖1-3）。人類在25~50年間，土地利用方式的改變導(dǎo)致了向大氣排放42~78 Pg C，而農(nóng)業(yè)措施的改進(jìn)，可以減緩相當(dāng)于其50~60%的排放。1.4.1 耕作措施與秸稈還田方式對土壤 CO2排放的影響CO2是最重要的溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率為 76.0%（IPCC 2014）。土壤 CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要過程（Schlesinger and Andrews 2000）。農(nóng)業(yè)是 CO2的主要來源，每年對全球氣候變化的貢獻(xiàn)約 14.0%（Vermeulen et al 2012）。土壤呼吸主要源于三個生物過程：土壤微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動物呼吸（Rochette and Flanagan 1997），其主要貢獻(xiàn)者為土壤微生物與植物根系呼吸（Marhanet al 2015; Zhu et al 2016; Dossou-Yovo et al 2016），其概念模型如圖 1-3 所示。很多研究表明免耕降低了土壤 CO2排放（Six et al 2000; Zhu et al 2016）。例如，Zhu 等（2016）發(fā)現(xiàn)與翻耕相比

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