崇明围垦稻田土壤CH4氧化和N2O还原潜力的研究

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甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是大气中仅次于CO2的温室气体。滨海湿地位处海陆交错带,具有很高的生态价值。滨海滩涂湿地通过围垦改为稻田,改变了其原来的理化性质,人类活动极大改变了土壤的CH4和N2O排放通量,CH4氧化和N2O还原过程也受到影响。探究不同滨海湿地土壤CH4氧化及N2O还原能力,为探索温室气体CH4和N2O的减排措施,实现我国碳达峰与碳中和的目标具有重要意义。本试验选取长江口崇明岛东滩自然湿地(光滩湿地和芦苇湿地)为参照,以毗邻围垦区不同围垦年限(19、27、51、86年)的稻田土壤为研究对象,添加不同形态外源氮(NH4+-N、NO3--N、UREA(尿素))后研究土壤CH4好氧氧化、厌氧氧化速率以及N2O还原速率的变化情况。同时揭示CH4氧化对土壤有机碳累积的影响以及不同滨海湿地土壤CH4厌氧氧化和N2O还原的耦合特征。主要研究结果如下:(1)围垦稻田土壤CH4好氧氧化速率在无氮条件下范围为17.0~31.9μg·g-1soil·d-1,围垦27年显著高于其他土壤,但显著低于芦苇湿地土壤。围垦稻田土壤的13C-SOC丰度随着围垦年限增长而增加,其13C-SOC净增量为10.3~14.8μmol 13C g-1soil。土壤CH4氧化固碳效率在47%~61%,随着围垦年限增长而增加;氮添加处理显著提高了围垦稻田土壤CH4好氧氧化速率,增幅分别为118%~274%、52%~177%和81%~206%,促进效应为NH4+-N>尿素>NO3--N,而对芦苇湿地土壤没有显著影响。3种氮添加处理下,围垦稻田土壤的13C-SOC丰度均随着围垦年限增长而显著增加,且NO3--N和尿素显著增加了土壤的13C-SOC净增量。(2)围垦稻田土壤CH4厌氧氧化速率在无氮条件下范围为14.5~32.0 ng·g-1soil·d-1,随围垦年限增长而显著增加,且显著高于光滩湿地土壤。围垦稻田土壤的13C-SOC净增量为98.8~180.9 nmol 13C g-1soil,其中围垦27年土壤最高,但显著低于芦苇湿地土壤。氮添加处理对各土壤影响各异,显著提高了芦苇湿地土壤以及围垦27、51年稻田土壤的CH4厌氧氧化速率,增幅分别为1%~103%、38%~239%和43%~110%,其中NO3--N的促进效应最为明显。氮添加处理显著改变了围垦稻田土壤的13C-SOC净增量,且以NO3--N效果最为明显。(3)围垦稻田土壤N2O还原速率在无氮条件下范围为18.0~31.2μg·g-1soil·d-1,且随着围垦年限增长显著增加;添加NH4+-N和NO3--N条件下稻田土壤N2O还原速率也随着围垦年限增长而显著增加,其年增长率分别为0.37μg·g-1soil·d-1·y-1和0.69μg·g-1soil·d-1·y-1,比无氮处理分别高出140%和343%。相反,添加尿素条件下稻田土壤N2O还原速率与围垦年限之间无相关性。对于同一样地土壤而言,外源氮输入对其N2O还原速率的影响效应各异。其中,与无氮添加相比,添加NH4+-N条件下芦苇湿地土壤的N2O还原速率降低了32%,而添加NO3--N条件下围垦86年稻田土壤的N2O还原速率增加了91%。(4)相对于CH4处理,CH4+N2O处理的13C-CO2丰度及CH4厌氧氧化速率显著增加,增幅分别为7%~9%和33%~64%,说明N2O促进了CH4厌氧氧化过程。而且,相较于CH4处理,CH4+N2O处理的13C-SOC丰度及13C-SOC净增量显著增加,增幅分别为2%~4%和89%~120%,表明N2O也增加了CH4厌氧氧化过程的固碳量。相反,相较于N2O处理,CH4+N2O处理的N2O的还原速率没有显著变化,说明CH4对N2O还原没有显著影响。综上所述,不同围垦年限稻田土壤CH4氧化及N2O还原潜力存在差异,对于甲烷好氧氧化来说,围垦27年土壤甲烷好氧氧化速率及碳同化量最大。对于甲烷厌氧氧化及N2O还原来说,甲烷厌氧氧化速率和N2O还原速率呈随着围垦年限增长而增加。另一方面,不同形态氮添加影响各异,其中NH4+-N对甲烷好氧氧化过程的促进作用最大,NO3--N对甲烷厌氧氧化过程及N2O还原过程的促进效应最为明显。此外,N2O可以促进甲烷厌氧氧化过程,相反甲烷厌氧氧化对N2O还原过程没有显著影响。
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