土壤孔隙结构对水稻生长及温室气体排放的影响

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土壤结构决定土壤保水保肥、供水供肥的能力,直接影响作物的生长。同时土壤结构影响土壤中水分和气体的运动,进而可能影响稻田温室气体排放。为探明土壤结构对水稻生长及温室气体排放的影响,本文选取江苏宜兴的湖白土和江西进贤的红壤性水稻土两种土壤进行盆栽试验,种植的水稻品种选用IR64(籼型常规水稻)和扬稻6号(93-11)(籼型常规水稻)。设置不搅动(No Puddling,NP)、搅动(Puddling,PD)和搅动后掰土回填(Repacked after Puddling,RP)三个处理,采用X射线CT扫描和图像分析的方法研究不同处理土壤孔隙结构。测定种植后水稻的植株株高、分蘖数以及生物量,使用Expression10000XL扫描仪(Epson,Suwa,日本)扫描根系获得根系各项参数。通过静态箱法测定水稻生长过程中的温室气体排放,研究结果表明土壤孔隙结构的改变会影响水稻生长和稻田温室气体的排放,通过改变耕作方式调节土壤结构可能是促进水稻生长以及稻田CH4和N2O的减排的可能途径。主要研究结果显示如下:1)湖白土NP、PD和RP处理的累积孔隙度分别为7.7%、4.7%和6.5%;红壤性水稻土NP、PD和RP处理的累积孔隙度分别为8.0%、2.4%和6.7%。湖白土的NP和RP处理之间的大孔隙度差异不显著,但均显著高于PD处理(P<0.05)。PD处理的孔隙多为球状,连通性较差,而CK及RP处理的大孔隙较多且连通性更好。2)湖白土处理中,与NP相比,PD显著降低水稻植株株高(P<0.05)。而红壤性水稻土中与NP相比,RP显著降低了水稻植株株高(P<0.05)。相关分析表明红壤性水稻大孔隙度与土株高呈显著正相关,说明大孔隙度在一定程度上会对水稻的株高有促进作用。RP处理的地上生物量显著低于其他处理,说明孔隙大小对地上部分生物量有抑制作用,孔隙越大,生物量越少。各处理中NP处理的根表面积和根体积均显著高于其他处理,说明改变土壤孔隙状况会影响水稻生长,随着土壤大孔隙的减小,水稻的的根表面积、根体积逐渐减小。2019年种植期中发现NP处理的根直径均显著低于其他处理,这说明随着土壤孔隙减少,根直径会增加。3)湖白土处理中,PD处理显著增加了CH4总排放量,2018年种植期中PD处理CH4的总排放量分别是NP的2.5倍和RP的14.6倍;2019年种植期中PD处理CH4的总排放量分别是NP的1.9倍和RP的6.6倍。相关分析表明CH4排放总量与大孔隙度呈显著负相关(P<0.05),说明大孔隙降低,会显著增加CH4排放。而N2O的排放量在两个种植期中均没显著差异。红壤性水稻土中,PD处理也显著增加了CH4总排放量,但是2018年种植期中PD处理显著增加了N2O排放。相关性分析表明N2O排放与孔隙连通度呈显著正相关(P<0.05),说明孔隙连通度越好会促进土壤中的N2O排放。两种土壤RP处理全球增温潜势(GWP)强度以及CH4总排放量均显著低于NP和PD处理。研究结果表明土壤孔隙结构的改变影响稻田温室气体的排放,通过改变耕作方式调节土壤结构可能是稻田CH4和N2O的减排的途径之一。
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