2017, Vol. 37
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2. 福建师范大学地理研究所, 福州 350007;
3. 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007
2. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007;
3. Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fuzhou 350007
大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的重要因素，而CO2、CH4和N2O是最主要的温室气体.目前，全球CO2排放量已超过200亿t，对温室效应的贡献约占75%，CH4和N2O因具有较高的单分子增温潜势，成为仅次于CO2的温室气体，对温室效应的贡献分别为18%和6%(Forster et al., 2007).农业活动是大气中温室气体的主要来源，农田CO2、CH4和N2O排放量分别达到总排放量的60%、15%和5%(Watson et al., 1996).水稻是世界上主要的粮食作物之一，占粮食作物面积的1/3(唐海明等，2014).研究表明，全球稻田CH4排放量达31~112 Tg·a-1，N2O排放量为1.7~4.8 Tg·a-1(Smith et al., 2007).因此，研究如何实现粮食增产与温室气体减排的协调性，具有重要的理论与现实意义.农田温室气体排放通量与土壤理化性质、水分管理、肥料管理、农学措施及气候等因素有关，温室气体主要来源于生物代谢过程(邹建文等，2003).其中，CO2来自于微生物的有氧呼吸与厌氧呼吸，CH4是由产甲烷菌在严格的厌氧条件下通过乙酸发酵作用和二氧化碳氢还原作用产生，而N2O则是经微生物的硝化与反硝化过程而产生的(Ugalde et al., 2007).研究表明，在厌氧环境下，N2O主要来自于反硝化过程(Kimochi et al., 1998；Hu et al., 2010；秦晓波等，2012).土壤微生物是土壤有机质动态和养分有效性的主要调节者，土壤有机碳含量主要受真菌和细菌控制(魏小波等，2010).那么，土壤中真菌、细菌数量及其比值的变化是否可以表征温室气体排放特征的差异，值得进行深入系统的研究.
稻田温室气体减排是当今的研究热点，近年来，稻田施加工农业废弃物的研究和应用已日益增多，并取得一定的成效(Ali et al., 2012；Qian et al., 2014；Zhang et al., 2012).目前，相关的研究主要包括施加物的增产作用、废弃物改善土壤理化性质、废弃物对温室气体排放的影响等(Ali et al., 2014；Hadi et al., 2015).然而，关于施加废弃物影响温室气体排放的微生物学机制的研究还鲜见报道.Ali等(2014) 研究发现，稻田施加炉渣可提高水稻产量并减少CH4排放量；Wang等(2015) 在亚热带稻田开展了炉渣对CH4和N2O排放影响的研究，发现炉渣的施加可以有效减少稻田CH4排放，但这种作用机制的微生物学特征尚不清楚.与此同时，Wang等(2015) 还发现，施加炉渣在一定程度上也可减少稻田N2O排放量，但效果并不显著，而且在水稻的不同生长阶段其影响作用不同.但Singla等(2014) 的研究结果却显示，施加炉渣会使稻田N2O排放量增加.从国内外已有的研究进展来看，施加生物炭可提高水稻产量，并可通过改善土壤通透性抑制反硝化作用，从而减少N2O排放量，这一点已达共识(张斌，2012；Wang et al., 2012).然而，生物炭对于CH4排放的影响则没有定论，Knoblauch等(2011) 发现，施加生物炭会增加CH4的排放，他们认为与生物炭中含有易分解的有机碳为产甲烷菌提供形成甲烷的基质有关.而蒋晨等(2013) 却发现，施加生物炭减少了CH4的排放，主要是通过固碳作用将碳素锁定，以及增强甲烷氧化菌活性而实现的(Fowles et al., 2007；Yu et al., 2010).
目前，关于炉渣与生物炭对稻田温室气体排放的影响研究都是独立开展的，而且主要是针对CH4和N2O的排放效应，对于CO2排放影响的研究报道较少.同时将生物炭和炉渣两种物质混合施加对稻田温室气体排放影响的研究也鲜见报道.因此，本文以福州平原红壤稻田为研究对象，选择炉渣和生物炭为材料，探讨这2种材料单一施加和混合施加处理对水稻拔节期和乳熟期CO2、CH4和N2O 3种温室气体排放通量及其相关微生物群落组成的影响，以此了解施加物对稻田土壤微生物群落结构的效应，并分析微生物与对温室气体排放通量之间的相关性.由于土壤产气微生物的活性和数量是多种因素影响的直接响应，因此，本研究结果可为施加废弃物影响稻田温室气体排放的微生物学机制提供理论依据，同时还可以为稻田温室气体减排提供新的思路.
2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 试验地点本试验在福建省农业科学院水稻所吴凤综合试验基地内进行(图 1)，该试验基地共有稻田7 hm2(张数标等，2007).实验区位于闽江河口区福州平原的南分支，地处乌龙江的北岸，海拔3~5 m，具有亚热带季风气候特征，年均气温为19.6 ℃，年均降水量为1392.5 mm，蒸发量为1413.7 mm，相对湿度为77.6%.实验前对翻耕后的田地进行人工整平，以保持土壤的均一性，水稻生长期水分管理采用传统的灌溉方式，即水稻前期实行水淹管理，水稻分蘖期后实行淹水-烤田-湿润灌溉相结合.实验区土壤类型为潴育型水稻土，土壤容重为1.1 g·cm-3，pH为6.5，土壤耕作层有机碳含量为18.1 g·kg-1，全氮含量为1.2 g·kg-1，全磷含量为1.1 g·kg-1(马永跃等，2012).实验区秸秆还田量为3.3 t·hm-2.
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| 图 1 采样点位置示意图 Fig. 1 Location of sampling site |
炉渣来源于福建金星钢铁公司，主要含有SiO2(27.7%, 质量分数, 下同)、CaO(35.7%)、SO3(1.3%)、Fe2O3(6.2%)、P2O5(0.1%)、MgO(4.3%)和K2O(2.7%).生物炭采用沈阳农业大学陈温福院士研究团队的专利炭化炉和亚高温缺氧干馏技术制备，主要含有N(1.4%)、P(1.0%)、K(1.8%)、C(56.6%)、S(0.6%)、Mg(1.0%)、Ca(0.5%)和Fe(0.2%).炉渣、生物炭在使前先用孔径为2 mm的筛子过筛处理(Wang et al., 2015).
2.3 水稻品种早稻品种为江西省农科院研发的禾盛10号，晚稻品种为福建省农科院研发的沁香优212号.
2.4 施加处理考虑到施加处理的延续效应及水稻品种、气候条件、农田管理等因素可能造成的影响，本实验分别于2015年早稻和晚稻种植期间各进行一次施加处理，其中，早稻生长期为2015年4月16日-7月16日，晚稻生长期为2015年7月25日-11月6日.本实验设置炉渣、生物炭、炉渣+生物炭混施3种处理，以不施加处理作为对照组, 在水稻移栽前一次性施加到犁耕层土壤中(0~15 cm).炉渣、生物炭的施加量均为8 t·hm-1，混施处理施加量为炉渣、生物炭各施8 t·hm-1.复合肥(N-P2O5-K2O，16∶16∶16) 和尿素(46%N)是本研究中的主要施加肥料，底肥在移栽前一天施加，施加量分别为42 kg·hm-2(以N计)、40 kg·hm-2(以P2O5计)和40 kg·hm-2(以K2O计)，分蘖肥在移栽大约1周后施加，施加量分别为35 kg·hm-2(以N计)、20 kg·hm-2 (以P2O5计)和20 kg·hm-2(以K2O计)，穗肥在大约8周后施加，施加量分别为18 kg·hm-2(以N计)、10 kg·hm-2(以P2O5计)和10 kg·hm-2(以K2O计).每个处理设置3个重复，共12个小区，每个小区面积10 m2，随机区组排列.各小区之间用0.5 cm厚、30 cm高的PVC板隔离，防止水体和物质交换.
2.5 CO2、CH4和N2O的采集与测定在2015年早稻、晚稻拔节期(稻田处于淹水阶段)与乳熟期(稻田处于排干阶段)分别采用静态箱法-气相色谱法对不同处理稻田温室气体排放量进行采集和测定.静态箱规格参见文献(Wang et al., 2015).在水稻拔节期和乳熟期，每周采样1次，早稻、晚稻共采集12次，其中，水稻拔节期采样6次, 乳熟期采样6次.采样时间选在9：00-11：00.气体采集方法为：盖上顶箱后立刻用100 mL注射器抽取气样40 mL，并打入真空气袋，每隔15 min再抽取1次样品，共抽取3次，在抽气过程中保持匀速，同时在底座凹槽内加水密封，防止静态箱内气体外泄(Wang et al., 2015).
CO2、CH4和N2O 采用日本岛津公司生产的气相色谱仪测定 (Shimadzu GC-2010和Shimadzu GC-2014，Kyoto，Japan).CO2采用甲烷转化炉转化后经FID(氢离子火焰化检测器)测定，检测条件为柱温45 ℃，检测器温度280 ℃；CH4测定采用FID(氢离子火焰化检测器)，检测条件为柱温70 ℃，检测器温度200 ℃；N2O测定采用电子捕获检测器检测条件为柱温70 ℃，检测器温度320 ℃.
CO2、CH4和N2O排放通量的计算采用气体浓度随着采样时间的变化率求得(Wang et al., 2015).
2.6 土壤样品采集与微生物数量分析 2.6.1 土壤样品采集分别于早稻、晚稻拔节期及乳熟期，在每个重复样地用采土器采集每个试验小区0~15 cm 土壤，装入自封袋带回实验室，挑去动植物残体、根系和石块后置于-20 ℃冰柜保存备用.
2.6.2 微生物数量分析培养基：细菌、真菌、硝化细菌和反硝化细菌培养基分别采用LB固体培养基、马铃薯-蔗糖琼脂(PDA)培养基、改良的斯蒂芬逊培养基A和反硝化培养基(林先贵，2010；樊景凤等，2011).
细菌、真菌、硝化细菌和反硝化细菌数量测定：细菌和真菌的数量测定采用平板菌落计数法，硝化细菌和反硝化细菌数量测定采用MPN法，测定方法参见文献(林先贵，2010；樊景凤等，2011；秦晓波等，2012；王风芹等，2012).
2.7 数据处理应用Excel 2003和SPSS 17.0统计分析软件对测定数据进行整理.分别将早稻、晚稻拔节期测定数据一并分析，早稻、晚稻乳熟期测定数据也一并分析.采用Excel 2003计算原始数据的平均值及标准差，采用SPSS 17.0中的单因素方差分析对各处理间、不同水稻生长期温室气体排放通量、微生物数量进行差异显著性分析.微生物与温室气体之间的相关性采用SPSS 17.0中 Pearson法进行分析.
3 结果(Results) 3.1 炉渣与生物炭施加对稻田温室气体排放通量的影响CO2排放通量如图 2a所示.在水稻拔节期，对照组、炉渣、生物炭及混施处理稻田的CO2排放通量分别为1831.74、1627.36、1337.81和1493.92 mg·m-2·h-1，生物炭和混施处理的稻田CO2排放通量显著低于对照组(p<0 .05) ，降低比例分别为26.97%和18.44%；在水稻乳熟期，不同处理稻田的CO2排放通量分别是1162.96、1120.65、1080.01和1031.91 mg·m-2·h-1，与对照组相比，炉渣、生物炭和混施处理对稻田CO2排放通量的影响不显著(p>0.05) .从水稻拔节期与乳熟期来看，在对照样地，水稻乳熟期稻田CO2排放通量显著低于水稻拔节期(p<0 .05) .
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| 图 2 废弃物施加对稻田温室气体排放通量的影响 (不同字母表示同一生长期不同处理之间具有显著差异，星号表示同一处理不同生长期之间具有显著差异(*p<0 .05, **p<0 .01) ，下同) Fig. 2 Effect of waste amendment on greenhouse gases emissions in paddy fields |
CH4排放通量如2b所示.在水稻拔节期，对照组、炉渣、生物炭及混施处理稻田的CH4排放通量分别为7.47、6.52、6.05和5.22 mg·m-2·h-1，混施处理的稻田CH4排放通量显著低于对照(p<0 .05) ，降低比例为30.12%；在水稻乳熟期，不同处理稻田的CH4排放通量分别是 0.17、0.13、0.09和0.08 mg·m-2·h-1，炉渣、生物炭和混施处理稻田CH4排放通量均显著低于对照组(p<0 .05) ，降低比例分别为23.53%、47.06%和52.94%.从水稻生长期与乳熟期来看，对照组及施加处理水稻乳熟期稻田CH4排放通量都极显著低于水稻拔节期(p<0 .01) .
N2O排放通量如图 2c所示.水稻拔节期，对照组、炉渣、生物炭及混施处理稻田的N2O排放通量分别为39.14、11.67、0.85和30.55 μg·m-2·h-1，生物炭处理的稻田N2O排放通量显著低于对照(p<0 .05) ，降低比例为97.83%；在水稻乳熟期，不同处理稻田的N2O排放通量分别为52.59、47.49、10.86和48.65 μg·m-2·h-1，生物炭处理的稻田N2O排放通量显著低于对照(p<0 .05) ，降低比例为79.88%.从水稻拔节期与乳熟期来看，在炉渣处理样地，乳熟期稻田N2O排放通量极显著高于拔节期(p<0 .05) .
从图 2可以看出，CO2和CH4的排放通量是拔节期高于乳熟期，而N2O相反.邹建文等(2003) 也发现实施间歇灌溉的稻田CH4与N2O排放之间存在着“此消彼长”的现象.综合3种温室气体的减排效应，以施加生物炭为最佳，其次是混施，炉渣效果不明显.
3.2 炉渣与生物炭施加对稻田土壤细菌和真菌数量的影响土壤细菌数量如图 3a所示.在水稻拔节期，对照组、炉渣、生物炭及混施处理稻田土壤细菌数量分别为4.68×106、3.98×106、4.00×106和3.52 ×106 CFU·g-1，与对照相比，混施处理显著降低了稻田土壤细菌数量(p<0 .05) ，减少比例为24.79%；在水稻乳熟期，不同处理稻田土壤细菌数量分别是4.68×106、2.25×106、3.00×106和2.53×106 CFU· g-1，与对照相比，3种施加处理都显著降低了稻田土壤细菌数量(p<0 .05) ，减少比例分别为51.92%、35.90%和45.94%.从水稻拔节期与乳熟期来看，在炉渣和混施处理样地，拔节期稻田土壤细菌数量显著高于乳熟期(p<0 .05) .
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| 图 3 废弃物施加对稻田土壤细菌数量(a)、真菌数量(b)、真菌/细菌比值(c)的影响 Fig. 3 Effect of waste amendment on the populations and the ratio of bacteria and fungal in paddy fields |
土壤真菌数量如图 3b所示.在水稻拔节期，对照组、炉渣、生物炭及混施处理稻田土壤真菌数量分别为5.41×104、5.15×104、7.20×104和7.85×104 CFU· g-1，与对照相比，3种施加处理对稻田土壤真菌数量的影响都不显著(p>0.05) ；在水稻乳熟期，不同处理稻田土壤真菌数量分别为9.63×104、5.40×104、7.26×104和10.31×104 CFU· g-1，与对照相比，3种施加处理对稻田土壤真菌数量的影响也不显著(p>0.05) .从水稻拔节期与乳熟期来看，对照组乳熟期稻田土壤真菌数量显著高于拔节期(p<0 .05) .
土壤真菌/细菌比值如图 3c所示.在水稻拔节期，不同处理稻田土壤真菌/细菌比值分别为0.0119、0.0129、0.0171和0.0222，与对照相比，混施处理显著提高稻田土壤真菌/细菌比值(p<0 .05) ，提高比例为86.55%；在水稻乳熟期，不同处理稻田土壤真菌/细菌比值分别是0.0155、0.0252、0.0252和0.0393，与对照相比，混施处理显著提高稻田土壤真菌/细菌比值(p<0 .05) ，提高比例为153.55%.从水稻拔节期与乳熟期来看，在炉渣和混施处理样地，拔节期稻田土壤真菌/细菌比值显著低于乳熟期(p<0 .05) .
3.3 炉渣与生物炭施加对稻田土壤硝化细菌和反硝化细菌数量的影响土壤硝化细菌数量如图 4a所示.在水稻拔节期，对照组、炉渣、生物炭及混施处理稻田土壤硝化细菌数量分别为7.83×103、3.50×103、3.17×103和2.83×103 CFU· g-1，与对照相比，3种施加处理都显著降低了稻田土壤硝化细菌数量(p<0 .05) ，减少比例分别为55.30%、59.51%和63.86%；在水稻乳熟期，不同处理稻田土壤硝化细菌数量分别是5.50×103、1.30×103、3.17×103和1.98×103 CFU· g-1，与对照相比，炉渣和混施处理显著降低了稻田土壤硝化细菌数量(p<0 .05) ，减少比例分别为76.36%和42.36%.从水稻拔节期与乳熟期来看，在炉渣处理样地，乳熟期稻田土壤硝化细菌数量显著低于拔节期(p<0 .05) .
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| 图 4 废弃物施加对稻田土壤硝化细菌(a)和反硝化细菌数量(b)及其比值(c)的影响 Fig. 4 Effect of waste amendment on populations and ratio of nitrobacteria and denitrobacteria in paddy fields |
土壤反硝化细菌数量如图 4b所示.在水稻拔节期，不同处理稻田土壤反硝化细菌数量分别为4.63×105、2.73×105、1.56×105和1.00×105 CFU· g-1，与对照相比，混施处理显著降低了土壤反硝化细菌数量(p<0 .05) ，减少比例为78.40%；在水稻乳熟期，不同处理稻田土壤反硝化细菌数量分别是2.11×105、0.63×105、0.66×105和1.65×105 CFU· g-1，与对照相比，施加炉渣或生物炭显著降低了土壤反硝化细菌数量(p<0 .05) ，减少比例分别为70.00%和68.51%.从水稻拔节期与乳熟期来看，在炉渣处理样地，乳熟期稻田土壤反硝化细菌显著低于拔节期(p<0 .05) .
土壤硝化/反硝化细菌比值如图 4c所示.水稻拔节期，不同处理稻田土壤硝化/反硝化细菌比值分别为0.0243、0.0138、0.0379和0.0411，与对照相比，炉渣、生物炭和混施处理对稻田土壤硝化/反硝化细菌比值的影响不显著(p>0.05) ；水稻乳熟期，不同处理稻田土壤硝化/反硝化细菌比值分别是0.0261、0.0237、0.0681和0.0204，与对照相比，生物炭处理提高了稻田土壤硝化/反硝化细菌比值(p<0 .05) ，提高比例为160.92%.从水稻拔节期与乳熟期来看，稻田土壤硝化/反硝化细菌比值无显著差异(p>0.05) .
3.4 炉渣与生物炭施加条件下稻田温室气体排放通量和土壤微生物菌群的相关性炉渣与生物炭施加条件下稻田温室气体排放通量和土壤微生物菌群的相关性分析结果见表 1.由表 1可知，CO2排放通量和CH4的排放通量都与细菌和反硝化细菌数量呈显著正相关，与真菌/细菌比值呈显著负相关.N2O排放通量与硝化细菌和反硝化细菌数量呈显著正相关，与硝化细菌/反硝化细菌比值呈显著负相关.
| 表 1 废弃物施加条件下稻田温室气体排放通量和土壤微生物菌群Pearson相关性 Table 1 Pearson correlation among greenhouse gases emissions flux and populations of soil microorganisms under waste amendment in paddy fields |
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土壤微生物是土壤有机物质的转化者，微生物的群落结构及其活性的变化将引起微生物代谢作用发生变化，从而影响土壤碳贮量，导致CO2、CH4和N2O等温室气体排放量的改变(苑学霞等，2005；罗希茜等，2009).本研究结果显示，生物炭、炉渣施加处理对稻田温室气体排放通量有较大影响.但不同的施加处理对CO2、CH4和N2O 3种温室气体排放的影响不尽相同，而且在水稻不同的生长阶段，其影响也不同.说明稻田温室气体的排放通量不仅与施加物自身的理化性质有关，而且与微生物的群落结构、气体的产生途径、植物的生长特性及农田管理措施等多种因素有关.施加物可通过直接或间接作用影响稻田温室气体的排放通量.
4.1 施加废弃物对稻田CO2排放的影响稻田土壤CO2产生的强度主要取决于土壤中有机质的数量及矿化速率、土壤微生物类群的数量及活性、土壤动植物的呼吸作用等.本研究结果显示，施加处理主要是使水稻拔节期CO2排放通量减少，对乳熟期CO2排放通量没有影响.与对照组相比，生物炭或混施处理可使早、晚稻拔节期CO2排放通量分别减少26.97%和18.44%(图 2)，此结果与前人研究结果一致(Liu et al., 2011；曲晶晶，2012)，主要是因为生物炭对CO2具有固持作用(Glaser et al., 2000；Case et al., 2012a)；而且生物炭呈碱性，可提高稻田土壤的pH，并吸收土壤呼吸作用产生的CO2.炉渣含有的氧化铁能够与碳结合，也具有固碳作用(Song et al., 2012)，炉渣中的钙离子能够与稻田生成的CO2发生反应，形成碳酸钙沉积于土壤中.炉渣与生物炭混合施加也显著降低了CO2的排放通量.此外，废弃物施加还可以间接通过改变稻田土壤的微生物群落结构，从而影响微生物的代谢活动，导致CO2产生量的改变.从图 3可以看出，施加处理降低了水稻拔节期和乳熟期稻田土壤中的细菌总数，并提高真菌/细菌比值，尤其是乳熟期的细菌总数比对照组有显著减少.施加处理使稻田土壤细菌数量减少的原因是生物炭中的碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在，表现出高度的化学和微生物惰性，施进土壤后难以被土壤微生物利用(Pan et al., 2016)；炉渣含有丰富的矿物质，缺乏有机质，施加后使土壤中微生物可利用的碳源减少，从而抑制微生物的生长繁殖(Okuda et al., 2016).比较水稻拔节期和乳熟期的细菌总数可知，对照组细菌总数在拔节期和乳熟期基本一致，但3种施加处理组拔节期土壤的细菌总数量均高于乳熟期，这一变化趋势与李杨等(2004) 研究结论一致，因为在拔节期水稻生长旺盛，其发达的根系及其分泌物可供细菌利用(陈哲等，2009)，弥补了施加物所致的碳源不足.由于真菌比细菌能够更为有效地利用土壤中的纤维素和木质素，因此，施加处理对真菌数量的影响较小.有研究表明，真菌的生长效率比细菌高，真菌占主导的微生物群落结构单位土层能保持更多的碳，释放更少的CO2(曹志平等，2011), 而且真菌丝有助于土壤团聚体形成使土壤碳沉积(Bailey et al., 2002;Jastrow et al., 2007).Marschner和Siciliano等也认为土壤中微生物群落的相对丰度与碳利用率呈正相关，特别是与真菌/细菌比值有密切关系(Marschner et al., 2011；Siciliano et al., 2014).图 3显示，混施处理使水稻拔节期和乳熟期的细菌总数分别比对照组降低了24.79%和45.94%，真菌/细菌比值分别比对照组提高了86.55%和153.55%.Pearson相关性分析结果显示，真菌/细菌比值与CO2气体排放通量呈显著负相关(表 1)，说明混施处理通过改变土壤微生物群落结构，最终导致CO2排放通量减少，也是其减排的主要机制.
4.2 施加废弃物对稻田CH4排放的影响稻田CH4排放主要包括土壤CH4产生、氧化及排放传输3个过程(李茂柏等，2010).图 2b显示，在水稻拔节期，施加处理能降低CH4排放通量，混施处理尤为明显，CH4排放通量较对照组减少30.12%;在乳熟期，炉渣、生物炭、混施处理对CH4排放也有抑制作用.Liu等(2011) 也发现，生物炭施加处理能降低CH4排放，其原因主要是：①稻田施加生物炭能增加土壤通气性，增加阳离子交换量(Siber et al., 2010)，抑制产甲烷菌的活性，从而减少稻田CH4的排放(Khan et al., 2013)；②生物炭施加会刺激水稻根系生长，使根氧化酶活性增加，加速CH4氧化而降低CH4排放通量(Chang et al., 2012).关于炉渣施加对于CH4排放的抑制效应与Singla等(2015) 的研究结论一致，主要是因为：①炉渣中富含的氧化铁是重要的电子受体，可抑制产甲烷菌的活性(Jackel et al., 2000)；②炉渣含有的铁添加后可促进原有土壤铁的还原过程，进而强化其与产CH4微生物的底物竞争，降低CH4产生所需底物的含量(曲东等，2004；王维奇等，2013)，从而抑制CH4产生及排放.此外，Pearson相关性分析结果显示，真菌/细菌比值与CH4排放通量呈显著负相关(表 1)，说明施加处理还通过影响微生物的群落结构，进而改变稻田土壤CH4排放通量.相关分析结果还显示，细菌总数与CH4排放通量呈显著正相关，这是因为细菌能将有机物分解成甲烷前体物质(乙酸、H2、CO2)，有利于产甲烷菌形成甲烷.水稻拔节期CH4排放通量显著高于乳熟期，Susilawati等的研究也有相似结果(孙小静等，2015；Susilawati et al., 2015).其可能原因是水稻拔节期有机碳代谢和根分泌物刺激甲烷产生，而在乳熟期，土壤环境中活性碳源减少(Ali et al.，2014) ，因此，CH4排放量较少.此外还与稻田土壤的水分管理有密切关系，在拔节期, 稻田处于淹水的厌氧环境，有利于产甲烷菌的生长和代谢活动，在乳熟期，稻田排干，氧化还原电位较高，抑制甲烷产生与排放，从而使得拔节期CH4排放高于乳熟期(彭世彰等，2006).
4.3 施加废弃物对稻田N2O排放的影响稻田N2O的排放通量是土壤中N2O的产生、转化及向大气传输3个过程共同作用的结果.土壤中N2O主要来自于微生物的硝化和反硝化作用, 硝化细菌和反硝化细菌在土壤中的数量分布受土壤氧化还原电位、pH、有机质含量等许多因素的影响.本研究发现，在水稻拔节期，炉渣、生物炭、混施处理均能显著降低硝化细菌数量，混施处理还能显著降低反硝化细菌的数量；在乳熟期，炉渣、混施处理能显著降低硝化细菌数量，炉渣、生物炭处理能显著降低反硝化细菌的数量.分析施加处理导致硝化细菌和反硝化细菌数量减少的原因可能是生物质炭具有较多的孔隙结构、较大的比表面积，对土壤中NH4+-N和NO3--N有吸附作用，从而影响硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖(张阿凤，2012；Taghizadeh-Toosi et al., 2011；Spokas et al., 2011).施加炉渣会使土壤的pH升高，也可能导致硝化细菌和反硝化细菌难以生存或活性较低(Case et al., 2012b).此外，生物炭施入土壤后还会改变土壤含水量，增加土壤的通气性，抑制土壤反硝化细菌的活性，从而减少了N2O的排放(Zhang et al., 2010).而且炉渣中的三价铁可作为土壤中电子受体抑制反硝化作用，特别是减少亚硝酸盐还原过程，从而降低N2O的生成(Cleepmut，1998；Susilawati et al., 2015).从表 1的Pearson相关性分析可以看出，N2O排放通量与硝化细菌、反硝化细菌数量呈显著正相关，并且与反硝化细菌数量关系更大，说明稻田排放的N2O更多来自于反硝化过程.图 2c显示，拔节期N2O排放量低于乳熟期，是因为拔节期稻田处于淹水状态，在厌氧环境反硝化菌能够将硝酸盐完全还原成N2，不会积累N2O；乳熟期稻田的水分管理是由湿到干转变，从而引起中间产物N2O的积累(Susilawati et al., 2015).因此，可以认为生物炭、炉渣和混合施加等处理是通过影响硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖及其代谢活性来影响N2O的排放.
5 结论(Conclusions)1) 水稻拔节期，生物炭和混施处理显著降低了CO2排放通量，混施处理显著降低了CH4排放通量，生物炭处理显著降低了N2O排放通量.水稻乳熟期，炉渣、生物炭和混施处理显著降低了CH4排放通量，生物炭处理显著降低了N2O排放通量.
2) 水稻拔节期，混施处理显著降低了细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量，显著提高了稻田土壤真菌/细菌比值，炉渣和生物炭处理显著降低了硝化细菌数量；水稻乳熟期，炉渣处理显著降低了细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量，生物炭处理显著降低了细菌和反硝化细菌数量，混施处理显著降低了细菌和硝化细菌数量，显著提高了真菌/细菌比值.
3) 炉渣与生物炭施加条件下, CO2排放通量与细菌数量呈显著正相关，与真菌/细菌比值呈显著负相关；CH4排放通量与细菌数量呈显著正相关，与真菌/细菌比值呈显著负相关；N2O排放通量与硝化细菌和反硝化细菌数量呈显著正相关.
致谢: 本研究在实验设计过程中得到南京农业大学程琨老师的指导，在野外采样和室内分析过程中得到福建师范大学山地生态国家重点实验室杨柳明老师，以及福建师范大学湿地研究中心纪钦阳和宋旭同学的帮助，在此一并表示感谢！| [${referVo.labelOrder}] | Ali M A, Sattar M A, Islam M N, et al. 2014. Integrated effects of organic,inorganic and biological amendments on methane emission,soil quality and rice productivity in irrigated paddy ecosystem of Bangladesh:field study of two consecutive rice growing seasons[J]. Plant and Soil, 378(1) : 239–252. |
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