2017, Vol. 36文章信息
- 王楷, 李伏生, 方泽涛, 董艳芳, 刘靖雯, 黄忠华, 罗维钢
- WANG Kai, LI Fu-sheng, FANG Ze-tao, DONG Yan-fang, LIU Jing-wen, HUANG Zhong-hua, LUO Wei-gang
- 不同灌溉模式和施氮量条件下稻田甲烷排放及其与有机碳组分关系
- Soil CH4 emission and its relationship with organic carbon fraction under different irrigation methods and nitrogen rates
- 农业环境科学学报, 2017, 36(5): 1012-1020
- Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(5): 1012-1020
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016-1581
文章历史
- 收稿日期: 2016-12-09
2. 广西喀斯特地区节水农业新技术院士工作站, 南宁 530004;
3. 广西高校作物栽培学与耕作学重点实验室, 南宁 530005;
4. 南宁市灌溉试验站, 南宁 530001
2. Guangxi Academician Work Station of The New Technology of Water-saving Agriculture in Karst Region, Nanning 530004, China;
3. Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Crop Cultivation and Tillage, Nanning 530005, China;
4. Nanning Irrigation Experimental Station, Nanning 530001, China
甲烷 (CH4) 是主要的温室气体之一，稻田土壤CH4排放量约占全球的19%[1]。稻田节水灌溉技术包括间歇灌溉，控制灌溉，“薄、浅、湿、晒”灌溉和干湿交替灌溉等。节灌方式通过灌溉、排水、晒田等措施，改变土壤氧化还原电位，促进水稻根系和植株生长，对CH4排放会产生直接或间接的影响[2-5]。与持续淹灌相比，间歇灌溉可使整个季节的排放量减少42%~71%[4]，控制灌溉稻田CH4排放通量明显低于淹灌稻田[5]。采用“薄、浅、湿、晒”灌溉和干湿交替灌溉，可以实现增产节水[6-7]，并降低温室气体排放量[8-9]。施用氮肥对稻田生态系统CH4排放量的影响与氮肥种类、施用量等有关[9-12]，与不施肥相比，单施无机氮肥或有机肥和无机氮肥配施均增加稻田CH4的排放[11]。虽然有关单独水分管理或氮肥施用对温室气体排放的研究较多[13-14]，但“薄、浅、湿、晒”灌溉、干湿交替灌溉与施氮量相结合对稻田CH4排放的影响尚不清楚。
有机碳可为土壤CH4的产生提供碳源和能源，活性有机碳及C/N是影响土壤产CH4能力的重要因素。土壤C/N较高 (如有机物还田) 时，在外源氮作用下稻田CH4排放显著提高[15]。易氧化有机碳对CH4排放有显著的影响[16]，微生物量碳的变化影响植物对土壤中可利用C、N供应，改变微生物的活性，从而对CH4排放产生影响[17]。而土壤甲烷氧化菌可利用CH4作为其唯一的碳源和能源，是CH4的唯一生物汇[18]，其功能的发挥需要充足的CH4和O2，还有适宜的环境条件。目前对“薄、浅、湿、晒”灌溉和干湿交替灌溉稻田有机碳组分以及甲烷氧化菌及其与CH4排放通量的关系还不明确。
本文研究了3种灌溉模式和2种施氮量条件下早稻和晚稻不同生育期土壤有机碳 (SOC) 含量、易氧化有机碳 (LOC) 含量、微生物量碳 (MBC) 和甲烷氧化菌 (MOB) 数量的变化，以及水稻生育期内稻田CH4排放变化情况，并分析当日稻田CH4排放通量与土壤SOC、LOC、MBC和MOB的关系，以期确定稻田CH4减排的灌溉方式和施氮量。
1 材料与方法 1.1 试验地点和材料2015年7月至2016年7月在南宁市灌溉中心试验站开展晚稻和早稻田间试验，两季水稻品种均为内5优8015，为广西本地优良三系杂交水稻品种。供试土壤为第四纪红色黏土发育的潴育性水稻土，其pH值为7.03、有机碳18.31 g·kg-1、全氮1.37 g·kg-1、碱解氮107.7 mg·kg-1、速效磷44.8 mg·kg-1、速效钾87.98 mg·kg-1、容重1.13 g·cm-3、饱和含水率49.5%。试验期间月降雨量和月均温见图 1。
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| 图 1试验期间月降雨量和月均温 Figure 1Monthly precipitation and mean temperature during the experimental period |
田间试验的3种灌溉模式为当地常规灌溉 (C)、“薄浅湿晒”灌溉 (T) 和干湿交替灌溉 (D)，2种施氮量为120 kg·hm-2(N1) 和150 kg·hm-2(N2)，完全方案设计，共6个处理。每个处理有3个小区，共18个小区。每个小区面积25 m2，均以25~26 cm厚的红砖水泥墙隔离，独立灌排水，并用水表计量每次灌水量。当地常规灌溉移栽返青期保持浅水层，此后田间保持20~40 mm水层，分蘖末期晒田和黄熟期自然落干。“薄浅湿晒”灌溉的水分管理如下[6]：插秧返青期田面保持20~40 mm水层，分蘖前期和乳熟期保持土壤湿润 (90%饱和含水率至10 mm水层)，拔节孕穗期到抽穗扬花期田面保持10~40 mm水层，分蘖后期晒田 (60%饱和含水率至10 mm水层)，成熟期自然落干 (50%饱和含水率至0 mm水层)。降雨后，返青期至乳熟期田面水层可增加10~30 mm，成熟期田面水层不增加。干湿交替灌溉[7]是在各小区均安装土壤水分张力计监测土壤水势的变化，在水稻移栽后10 d内保持浅水层 (15~20 mm)，10 d后进行干湿交替灌溉，当田间由浅水层自然落干，即张力计水势降至-15 kPa时，灌水至20 mm，待自然落干至土壤水势为-15 kPa再灌至20 mm，如此循环，直至稻谷成熟[7]。各处理P肥和K肥用量相同，P肥用量为60 kg·hm-2，K2O用量为120 kg·hm-2。其中全部P肥，50%的N肥和K肥作基肥，在插秧前1 d耕地时施入，余下的50%N肥和K肥分别以分蘖肥、穗肥均按25%的比例面施施入。所有处理均不施用有机肥，N肥用尿素 (含N 46%)，P肥用过磷酸钙 (含P2O5 14%)，K肥用氯化钾 (含K2O 60%)。
1.3 气体采集与分析稻田甲烷排放量用静态箱收集，静态箱规格为50 cm ×50 cm×100 cm，由不锈钢制成，厚约5 mm，底部开口，箱内两侧安装风扇以混匀气体，并安装电子温度计监测箱内温度变化，箱外包裹层隔热泡棉，以降低外界对箱内温度的影响。每个小区内随机选取0.25 m2，安装静态箱底座 (50 cm×50 cm)，底座入泥20 cm。取样时将静态箱置于底座凹槽内且用水密封，以防漏气。采气孔位于箱侧面上部，用100 mL注射器采集气体样品，3个小区箱体平行采样，采样时间集中在上午9：00-11：00，因为这一时段内植物光合速率和呼吸速率都较稳定。采样时刻为盖箱后第0、5、10、15、20、25、30 min，即每个采样点分别采集7次，同时记录箱温。用Agilent 7890AGC气相色谱仪分析甲烷排放量。所有处理小区每7 d采样1次，整个生育期晚稻共采样10次，早稻共采样12次。
1.3.1 甲烷排放通量计算[14]
(1) 式中：F为甲烷排放通量，mg·m-2·h-1；H为静态箱高度，1 m；M为甲烷的摩尔质量，16.123 g·moL-1；P为标准大气压，1.013×105 Pa；R为普适气体常数，8.314 J·moL-1·kg-1；T为采样时静态箱内平均温度，℃；dc/dt为甲烷排放速率，mL·m-3·h-1。
1.3.2 甲烷排放量计算不同生育期甲烷排放量 (fCH4) 是相邻两次气体排放通量平均值乘以间隔时间，再累加而得。
(2) 式中：fi是第i次与第i-1次时间间隔内甲烷累积排放量；Fi是第i次所测甲烷排放通量；Fi-1是第i-1次所测甲烷排放通量；d是相邻两次采集气体相隔天数；n为同一生育期甲烷测定总次数。
全生育期甲烷累计排放量 (mg·m-2·h-1) 为不同生育期甲烷排放量之和。
1.4 土壤采集与测定晚稻分别在分蘖期 (移栽42 d)、孕穗期 (移栽54 d)、乳熟期 (移栽62 d) 和成熟期 (移栽92 d)，早稻在分蘖期 (移栽10 d)、孕穗期 (移栽61 d)、乳熟期 (移栽83 d) 和成熟期 (移栽97 d) 采集0~20 cm深度土壤，用S形多点法取样。采集的土壤鲜样放入低温贮藏箱并迅速运回实验室，部分新鲜土壤用于分析甲烷氧化菌数量，剩余土样风干过筛后用于测定有机碳、易氧化有机碳和微生物量碳。
用滚管法测定土壤中甲烷氧化菌数量[19]：培养基配制好后分装于PVC管中，每管4.5 mL，各管加入不同浓度的土壤悬液1 mL，用异丁基橡胶塞密封，滚管后加入甲烷气体，30 ℃恒温培养7 d，计数管内菌落数量。MOB培养基的配制[20]：矿质元素溶液10 mL，蒸馏水990 mL，琼脂20 g，pH 6.8。SOC用重铬酸钾容量法-外加热法测定[21]，LOC用KMnO4氧化法测定[22]，MBC用氯仿熏蒸0.5 mol·L-1硫酸钾提取法测定[23]。
1.5 数据分析所测数据用DPS 7.05软件分析，采用3次结果的平均值，用LSD多重比较法分析不同处理间的差异显著性 (P < 0.05)。用采土当日稻田甲烷排放通量与土壤各测定指标进行相关性分析，并用主成分分析说明各项指标对甲烷排放通量的综合影响。
2 结果与分析 2.1 不同处理SOC及其组分的变化由图 2可知，早晚稻各生育期SOC含量的范围在16~22 g·kg-1之间，但早晚稻成熟期SOC含量比分蘖期减少17%~21%。N1时，早晚稻土壤SOC含量并无明显的规律性，晚稻土壤SOC含量孕穗期C模式较高，而乳熟期D模式较高，早稻分蘖期和乳熟期T模式较高，孕穗期D模式较高；N2时，晚稻分蘖期SOC含量差异不显著，其他生育期D模式较高，早稻各生育期除乳熟期外也以D模式较高。因此，不同灌溉模式SOC含量之间的差异与施氮量和生育期有关，但总体来看，D模式SOC含量高于T模式和C模式。3种灌溉模式下，晚稻和早稻各生育期N2处理SOC含量一般高于N1处理。
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| C：常规灌溉conventional irrigation；T：“薄浅湿晒”灌溉"thin-shallow-wet-dry" irrigation；D：干湿交替灌溉alternate drying and wetting irrigation；N1：120 kg·hm-2；N2：150 kg·hm-2。不同小写字母表示同一时期不同处理间的差异显著 (P < 0.05) Different letters mean significant difference of different treatments at the same growth stage at P < 0.05 level.下同The same below 图 2各处理不同生育期土壤SOC含量 Figure 2Soil organic carbon (SOC) content at different growth stages for different treatments |
晚稻土壤LOC含量在4~6.8 g·kg-1之间变化，早稻土壤LOC含量在2~5 g·kg-1之间变化，如图 3。N1时，晚稻C模式土壤LOC含量较高，早稻除分蘖期D模式较高外，其他各生育期均以T模式和C模式较高；N2时，晚稻除乳熟期外，T模式LOC含量较高，早稻分蘖期和孕穗期C模式较高，乳熟期和成熟期C模式较低。但总体来看，D模式土壤LOC含量较C模式和T模式低。3种灌溉模式下，N2处理早晚稻土壤LOC含量一般高于N1，但是晚稻分蘖期D模式下和孕穗期C模式下N2低于N1，早稻分蘖期D模式下N2低于N1。
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| 图 3各处理不同生育期土壤LOC含量 Figure 3Soil labile organic carbon (LOC) content at different growth stages for different treatments |
如图 4所示，早晚稻土壤MBC在0.09~0.2 g·kg-1之间变化。N1时晚稻除成熟期外各生育期土壤MBC均以C模式最高，而早稻各生育期不同灌溉模式之间的差异不显著。N2时晚稻各生育期土壤MBC以C模式较高，早稻分蘖期和孕穗期土壤MBC以C模式较高，乳熟期以T模式较高，成熟期则以D模式较高。3种灌溉模式下，N2处理早晚稻土壤MBC均高于N1处理。
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| 图 4各处理水稻不同生育期土壤MBC Figure 4Soil microbial biomass carbon (MBC) at different growth stages of rice for different treatments |
如图 5，土壤MOB的数量在5×105~1.4×107 cfu·g-1干土之间变化，早、晚稻不同生育期土壤MOB数量都呈现高-低-高-低的趋势，孕穗期和成熟期土壤MOB数量较少，而分蘖期和乳熟期较多。N1时，晚稻MOB数量以乳熟期和成熟期D模式较多，而T模式较少，但是分蘖期则T模式较多，孕穗期3种灌溉模式之间的差异不显著，早稻分蘖期和乳熟期D模式MOB数量较多，但孕穗期C模式较多，成熟期差异不显著。N2时，晚稻土壤MOB数量分蘖期和成熟期以D模式较多，孕穗期和乳熟期T模式较多，而早稻3种灌溉模式之间的差异不显著。总体看来，C模式土壤MOB数量较少。3种灌溉模式下，N2处理土壤MOB数量较多。
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| 图 5各处理不同生育期土壤MOB数量 Figure 5Soil methane-oxidizing bacteria (MOB) at different growth stages for different treatments |
不同处理稻田甲烷排放通量的变化如图 6。早稻和晚稻各处理甲烷排放通量都是在分蘖期达到峰值 (199.1、82.72 mg·m-2·h-1)，而在成熟期最低 (＜0.1 mg·m-2·h-1)。表 1为不同处理早晚稻在不同时期和全生育期甲烷累积排放量，晚稻和早稻分蘖期甲烷排放通量分别占全生育期累计甲烷排放量的86%和71%。
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| 图 6各处理水稻生育期内CH4排放通量的变化 (F表示追肥) Figure 6Changes of CH4 flux at rice growing stage for different treatments (F topdressing) |
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从图 6和表 1还可以看出，相同施氮量下，D模式早、晚稻全生育期累计甲烷排放量以及两季甲烷累计排放量最低，而T模式和C模式均较高，说明干湿交替灌溉模式显著降低稻田甲烷排放量。N1时T模式两季甲烷累积排放量低于C模式，而N2时T模式两季甲烷累积排放量高于C模式。N2处理各生育期内甲烷排放通量一般高于N1处理，表 1也表明N2处理两季甲烷累计排放量高于N1处理。
2.4 相关性分析从表 2可以看出，早稻和晚稻季采土当日稻田甲烷排放通量与MOB、LOC和MBC呈极显著或显著正相关。SOC含量与稻田甲烷排放通量相关性不显著，但与MBC和LOC呈现显著正相关关系。
对早晚稻所测MOB数量、MBC、LOC含量和SOC含量进行主成分分析，结果如表 3所示。
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根据85%累计贡献率的原则，晚稻舍弃第4个主成分，用前3个主成分反映原指标的绝大部分信息，可以代替原来的4个单项指标对稻田甲烷排放量的影响。对晚稻主成分列出如下方程：
(3) 
(4) 
(5) 式中：x1表示MOB含量；x2表示MBC含量；x3表示LOC含量；x4表示SOC含量。
对以上3个方程可以作如下的解释：主成分1的特征向量中MBC、LOC和SOC起主要作用，因此第1主成分主要代表生育期晚稻土壤有机碳组分特点；主成分2的特征向量中MOB有主要贡献，因此第2主成分主要代表生育期晚稻土壤甲烷氧化菌数量特点；主成分3中LOB有主要贡献，因此第3主成分主要代表生育期晚稻田土壤易氧化有机碳含量特点。
舍弃第3、4主成分，对早稻前2个主成分列出如下方程：
(6) 
(7) 对以上2个方程可以做如下的解释：主成分1的特征向量中各个指标的作用基本一致，因此第1主成分主要代表生育期早稻土壤MOB数量和SOC组分特点；主成分2的特征向量中是MBC和LOC有主要贡献，因此第2主成分主要代表生育期早稻土壤MBC和LOC组分特点。
3 讨论灌溉模式通过改变田间水分状况影响土壤SOC及其组分含量。不同灌溉模式土壤SOC含量之间的差异与施氮处理和生育期有关，但总体看来，D模式高于T模式和C模式，可能是因为T模式和C模式增强了土壤微生物的活性，促进了土壤有机质的分解，而对于D模式土壤SOC含量降低可能是因为频繁干湿交替灌溉增强土壤呼吸作用所致[24]。土壤LOC可作为微生物的碳源[25]，D模式土壤LOC在通透性较好的情况下更易分解变化，所以含量较少。由于灌溉模式对土壤有机质矿化分解速率、微生物生物量及其活性、根系生物量等影响不同[26]，不同灌溉模式对土壤MBC的影响不同，且本研究不同灌溉模式土壤MBC之间的差异还与施氮处理和生育期有关。N2处理有机碳及其组分含量一般高于N1处理，可能是N2处理提供了较多氮源，增加了水稻生物量，从而提高土壤固碳潜势和微生物活性所致。MOB功能的发挥需要适宜的环境条件。C模式土壤水层较厚，虽然甲烷排放显著增加，但因缺乏O2仍然阻碍了MOB的繁殖，故MOB数量相对减少；而T模式和D模式土壤处于水层极薄或无水层状态，通气状况好，O2充足，MOB活性相对较高，故MOB数量有所增加。N2处理MOB数量较N1高，则可能是因为增加氮肥用量促进甲烷排放，为MOB提供较多的底物，利于MOB菌群的生长繁殖。
甲烷排放集中在分蘖期和乳熟期，变化趋势与吴家梅等[27]的研究一致，即水稻在分蘖期稻田甲烷排放量最高。因为此时期土壤基肥的肥效作用正在发挥，水层较厚，植物体通气组织传输甲烷的净效应较大[28]。本试验分蘖前期稻田水层较厚，土壤中氧气含量低，利于厌氧菌产生甲烷；基肥和分蘖肥为土壤微生物提供了充足养分，提高了产甲烷微生物的活性；成熟期晒田使土壤通气性增加，破坏了产甲烷微生物的厌氧环境。Kreye等[29]研究指出，在水稻特定生育期特定时间段内保持田面无水层或土壤含水量低于饱和含水量，可以使土壤通气状况得到极大改善，抑制甲烷的产生。C模式水层一直较厚，有利于甲烷排放；T模式也一直处于有水层状态，虽然水层较薄，也可以为甲烷的产生提供一定的厌氧环境；而D模式由于水层在极薄和无水层之间交替，土壤通气状况好于其他两种模式，对甲烷产生的抑制作用很强，因此显著降低了甲烷排放。N2处理生育期内甲烷排放通量和累积排放量一般高于N1处理，则是由于尿素施用可以促进水稻根系发育，增加根系分泌物，为甲烷产生提供更多的碳基质所致[30]。
在不同灌溉模式和施氮量下，早稻和晚稻季采土样当日稻田甲烷排放通量与MOB呈显著正相关。这是甲烷排放通量与MOB的整体数量在不同时期的变化特征造成的，因为分蘖期和乳熟期甲烷排放通量与MOB数量都较高，孕穗期和成熟期甲烷排放通量与MOB数量都较低。MOB是甲烷的消耗者，但是在甲烷排放量较少时，MOB的数量在碳源不足情况下也会有明显的降低，因此本试验条件下会得到稻田甲烷排放通量与MOB之间呈正相关。岳进等[31]研究也表明，沈阳稻田生长季甲烷通量季节变化与季节变化具有显著正相关性。早稻和晚稻季采土样当日稻田甲烷排放通量与LOC和MBC之间呈极显著或显著正相关。Yagi等[16]和Blagodatskaya等[17]也有类似的结果报道。虽然两季水稻SOC含量与稻田甲烷排放通量相关性不显著，但与MBC和LOC却呈现显著正相关关系，说明SOC在一定程度上也可以间接反映甲烷的排放规律。焦燕等[32]研究也发现，土壤SOC含量与甲烷排放关系不密切，稻田在淹水的还原环境下，有机物的数量和对厌氧微生物的有效性在甲烷形成过程中起着决定性作用[33]。但是，也有一些研究表明，甲烷排放通量与土壤SOC含量呈显著正相关[34]。
4 结论不同灌溉模式土壤有机碳组分之间的差异与施氮量和生育期有关，且N2处理有机碳组分一般高于N1处理。土壤MOB数量以C模式较低，D模式较高，N2处理MOB高于N1处理。稻田甲烷排放通量在分蘖期和乳熟期较高。D模式两季稻田甲烷排放通量与累计排放量均显著低于T模式和C模式，且N2高于N1。此外，稻田甲烷排放通量与土壤MOB、LOC和MBC间呈显著正相关关系，土壤SOC含量也间接影响稻田甲烷的排放。
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