不同稻稈處理方式下雙季稻溫室氣體排放通量研究

侯曉莉,李玉娥*,萬運帆,石生偉,李明德 (.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點實驗室,北京 0008；.湖南省土壤肥料研究所,湖南 長沙 405)

秸稈還田有利于改善土壤理化性狀,提高土壤有機質(zhì)含量,促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán),是秸稈有效利用方式之一[1-2].雖然國家明令禁止秸稈田間燃燒,但由于秸稈還田或清理秸稈需要大量的勞力、同時生活水平的提高使得農(nóng)民更傾向于使用高品質(zhì)能源, 秸稈就地焚燒現(xiàn)象極為普遍[3-4].秸稈焚燒還田可有效減輕病蟲害,但其同時減少土壤中微生物數(shù)量和水分含量[5-7],焚燒過程中向大氣中排放大量的污染性氣體,嚴重影響環(huán)境[8-9].

秸稈還田能顯著增加土壤有機碳[10-11],但同時也為土壤產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的基質(zhì),顯著促進CH4排放,秸稈還可能通過提供礦化氮和反硝化微生物活動所需的碳源直接影響N2O的產(chǎn)生與排放[12].許多研究結果表明,秸稈還田明顯增加 CH4排放的同時,減少 N2O排放[11-15].蔣靜艷等[12]、Zou等[13]研究表明,CH4排放量與秸稈施用量成正比,N2O排放與秸稈施用量成反比.馬二登等[15]、馬靜等[16]得出,與秸稈還田相比原位焚燒麥稈顯著降低稻麥生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放,兩種處理的N2O排放無顯著差異;與不還田處理相比,原位焚燒麥稈能顯著降低N2O排放,但CH4排放無顯著差異.總的來說,秸稈還田避免了秸稈原位焚燒還田短時間內(nèi)向大氣中排放大量的溫室氣體,但后期持續(xù)性的排放致使其溫室氣體排放強度最大[17].

稻稈占到我國作物秸稈資源的 26.3%,稻稈還田在水田厭氧環(huán)境下加劇了CH4的排放.本文針對稻稈不同處理方式,結合稻稈焚燒活動中溫室氣體排放的估算,采用田間靜態(tài)箱-氣象色譜觀測試驗研究不同稻稈處理方式對稻田溫室氣體排放及溫室效應的影響,旨在為保護農(nóng)田環(huán)境、實現(xiàn)真正減排提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)狀況

試驗地點位于湖南省長沙縣干杉鄉(xiāng)長安村(28°08′19″N,113°12′16″E),屬于亞熱帶季風濕潤氣候區(qū),年平均氣溫為17.1℃,當?shù)貙儆诘湫碗p季稻作區(qū).試驗土壤類型為第四紀紅色黏土發(fā)育的紅黃泥水稻土,土壤有機質(zhì) 1.85%,堿解氮 124mg/kg,有效磷13.4mg/kg,速效鉀47mg/kg,pH 5.20.

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 試驗采用單因素區(qū)組設計,3個處理,3次重復,小區(qū)面積20m2.處理1:常規(guī)處理:NPK,秸稈移出稻田,施肥量為當?shù)爻Ｒ?guī)施肥量;處理 2:稻草直接還田(RS)+NPK處理:稻稈于插秧前1d切成2cm碎段翻埋還田;處理3:稻草原位焚燒還田(BIS)+NPK處理:插秧前1d將稻稈均勻鋪放在小區(qū)表面原位焚燒.處理2與處理 3的稻稈量相同:早稻為干稻稈5250kg/hm2,晚稻為鮮稻稈 6250kg/hm2,折合成干物質(zhì)有機碳分別為 1679kg/hm2和 1843kg/ hm2,化肥按照近似等N及C/N為10:1～11:1措施施入,其中RS+NPK處理考慮秸稈中N含量及一年腐熟分解率(50%左右[18])相應降低化肥施入量為常規(guī)施肥的90%(表1)(處理3中稻稈焚燒后 N剩余量與常規(guī)施用量比較,所占比例很小,忽略不計).

早稻品種為中嘉早17號,于2010年4月30日移栽,5月11日、6月21日分別進行兩次追肥,5月29日開始排水曬田,6月7日復水,7月17日收割;晚稻品種為農(nóng)香18,于7月20日移栽,7月27日、9月12日兩次追肥,8月11日開始排水曬田,8月21日復水,10月21日收割.

表1 早、晚稻施肥方案 (kg/hm2)Table 1 Fertilization scheme (kg/hm2)

1.2.2 氣體采集與測定方法 利用靜態(tài)箱采集分析樣品,利用氣相色譜測定CH4和N2O的濃度,利用公式(1)計算溫室氣體排放通量.采樣箱采用聚碳酸酯材料制成,外表貼有“黑色+純白色”雙層波音片材料用來避免太陽輻射引起的箱體內(nèi)部升溫.箱體直徑 55cm,高 1.2m,箱內(nèi)裝有風扇,外置蓄電池驅動.播種初期將底座插入土壤10cm深處,采樣框內(nèi)移栽水稻植株4穴平均20株,在整個觀測期內(nèi)不含雜草.觀測時將采樣箱放入底座,底座外緣四周的凹槽用水密封.移栽后第2天開始采樣,每隔3d取樣1次,曬田期每隔1d取樣,采樣時間為上午8:30～10:30,罩箱0、8、16和24min后用注射器取50mL氣體注入預先抽真空的玻璃瓶中.

采集的氣體樣品在室內(nèi)用 Agilent7890 型氣相色譜儀分析,CH4檢測器為離子火焰化檢測器 (FID),溫度200℃,柱溫55℃,N2O檢測器為電子捕獲檢測器(ECD),溫度330℃,柱溫55℃.

溫室氣體排放通量計算公式為:

式中: F為排放通量,CH4: mg/(m2·h),N2O: μg/(m2·h); ρ為 CH4、N2O標準狀態(tài)下的密度,分別為0.714kg/m3,1.964kg/m3; h 是采樣箱頂部至水面實際高度, m; dC/dt為采樣過程中采樣箱內(nèi)氣體濃度變化率, mL/(m3·h);T是采樣箱內(nèi)平均溫度,℃.

1.2.3 土壤要素的測定方法 每次取氣的同時測定5cm 土壤溫度、pH值和Eh.(便攜式酸度計測定、氧化還原測定儀).每個生育期采取0-10cm內(nèi)土樣,測定土樣NO3--N、NH4+-N濃度及風干后土樣水分系數(shù)[土壤樣品(105±2)℃烘至恒重時的失重與土壤樣品的重量比值],有機質(zhì)、N、P、K質(zhì)量分數(shù).

用 2mol/LKCl溶液震蕩浸提 1h,土水比為1:5,然后通過流動分析儀測定NO3--N、NH4+-N濃度,同時取新鮮土樣 105℃下烘至恒重,測定土壤水分,最后計算出土壤中礦質(zhì)N含量.

1.2.4 稻稈焚燒產(chǎn)生溫室氣體排放的計算方法秸稈燃燒溫室氣體排放的計算方法如下:

式中:Ei是焚燒稻稈產(chǎn)生的GHG排放, kg; AM為稻稈露天焚燒量, t,為稻稈干重,早稻為干稻稈5.25t,晚稻為鮮稻稈 6.25t,采取草谷比估算晚稻施入秸稈干重,大部分水稻草谷比取值為 1[19],晚稻產(chǎn)量測定均值為 6.05t;EFi為排放因子,參考有關資料得出,CH4排放因子是0.72g/kg[6]; N2O排放因子為0.07g/kg[21].

2 結果與分析

2.1 不同稻稈處理方式稻田CH4排放

整個生育期CH4排放通量的動態(tài)變化如圖1所示,各處理 CH4排放通量的總趨勢相同,有明顯的季節(jié)波動變化.其中,RS+NPK處理 CH4排放通量波動幅度最大.各處理CH4在早、晚稻移栽至曬田期集中排放,在排放高峰期不同處理表現(xiàn)出明顯差異,主要表現(xiàn)為 RS+NPK處理CH4排放顯著高于 BIS+NPK處理 CH4排放.NPK處理與RS+NPK處理CH4排放在早稻整個生育期基本持平,晚稻存在明顯差異.3個處理在排水曬田期 CH4排放通量迅速降低(05-29～06-07,08-11～08-21),曬田結束后,早稻期間隨著氣溫的升高在生長季后期仍出現(xiàn)一定的CH4排放峰值,晚稻CH4排放則在曬田結束后維持較低水平至水稻收獲.

圖1 稻田CH4排放Fig.1 The emission of CH4 in rice paddy

早稻初期適宜的碳、氮比促進還田秸稈部分腐化分解,轉化為土壤有機質(zhì),在分蘗期微生物厭氧分解達到最高峰,土壤全碳達最高水平;晚稻初期溫度進一步升高[22-24],加之適宜的 pH 值[25-26],加強了秸稈的有機分解.風干土樣測定分析表明,早、晚稻生長季前期RS+NPK與BIS+NPK處理全 C含量存在顯著差異(P＜0.05),突出表現(xiàn)在晚稻生長季前期,陳葦?shù)萚27]指出有機質(zhì)、全氮含量高的稻田甲烷產(chǎn)生和釋放潛力較強,本研究與其研究結果觀點一致,分蘗期RS+NPK處理CH4排放顯著高于 BIS+NPK處理.其次,有機質(zhì)的分解為土壤提供了大量額外的電子受體,迅速降低土壤Eh,本研究相關分析表明,CH4排放通量與5cm土壤Eh呈顯著負相關(R=-0.583),Eh穩(wěn)定在0mv左右時CH4排放趨于0,此結論與文獻[15,29-30]研究結果一致.RS+NPK處理生長季初期秸稈腐化分解與成熟期作物根系分解導致Eh下降,CH4排放強度迅速增大,明顯高于NPK與BIS+NPK兩個處理.其它時期Eh均穩(wěn)定在0mv左右,各處理無明顯差異.BIS+NPK處理與NPK處理相比,早稻顯著降低CH4排放,晚稻期間CH4排放二者相當.分析原因為早稻水田經(jīng)過冬閑期的閑置,土壤有機質(zhì),全N、P的含量較冬閑期開始前監(jiān)測含量降低,晚稻于早稻收獲2日后即還田,土壤濕度大,秸稈原位焚燒并沒有顯著引起土壤有機質(zhì)的下降.

表2 CH4平均排放通量[mg/(m2·h)]Table 2 The flux of CH4 during rice growth stage[mg/(m2·h)]

2.2 不同稻稈處理方式稻田N2O排放

早稻期間各處理 N2O排放通量均維持在100μg/(m2·h)以下,相關研究表明,水稻生長期N2O排放主要受水分狀況的影響[32-36],早稻季5、6月份頻繁性降水使得土壤水分過飽和,阻礙了N2O的擴散傳輸過程,同時持續(xù)的低溫明顯降低微生物的活性,降低N2O排放通量.早稻期間只是

在分蘗期第一次追肥引起N2O的微量排放,其中NPK處理最高,為89.08μg/(m2·h),且持續(xù)時間較長; BIS+NPK處理 N2O排放峰值最低: 29.69μg/(m2·h),以脈沖形式排放.早稻整個生長季,NPK處理 N2O排放顯著高于其他兩個處理(P＜0.05),主要表現(xiàn)在生長季前中期.

晚稻在移栽一周后第1次追肥觀測到N2O顯著排放,移栽25d左右進入排水曬田期,適宜的土壤濕度及5cm土壤Eh(-147mv～16mv)引起第2次排放高峰,N2O兩次排放峰值大小順序均為NPK＞RS+NPK＞BIS+NPK.晚稻礦質(zhì)氮的測定發(fā)現(xiàn)在晚稻移栽至排水曬田期結束,NPK和RS+NPK處理NH4+-N濃度顯著高于BIS+NPK處理(圖3).對各處理N2O排放與土壤NH4+-N濃度進行相關分析,結果表明二者呈顯著正相關,相關系數(shù)分別為 0.653,0.977,0.871,排水曬田期NPK處理

圖2 稻田N2O排放Fig.2 The emission of N2O in rice paddy

表3 生育期N2O平均排放通量[μg/(m2·h)]Table 3 The mean flux of N2O during each rice growth stage (n=3)[μg/(m2·h)]

圖3 晚稻季各處理水分及NH4+-N變化Fig.3 Changes of soil moisturein and ammonium nitrogen levels in late rice

高濃度的NH4+-N促進N2O的排放.NPK處理與RS+NPK處理在移栽一周內(nèi)二者排放相當,至分蘗期追肥后前者N2O排放顯著高于后者,分析原因為還田秸稈腐解提高了土壤中的 C/N比值導致土壤微生物對N的爭奪利用,促進植物對N的吸收,減少了硝化反硝化過程中N2O的產(chǎn)生.通過對全生長季稻田N2O排放分析發(fā)現(xiàn),NPK處理N2O平均排放呈較高水平,BIS+NPK處理N2O平均排放最低,前者 N2O平均排放通量是后者N2O平均排放通量的3.8倍(表3),方差分析達極顯著水平(P ＜0.01).

2.3 稻稈焚燒活動中產(chǎn)生的溫室氣體估算及溫室效應分析

根據(jù)選取的排放因子及早、晚稻秸稈干重5.25t/hm2、6.05t/hm2估算焚燒活動中產(chǎn)生的溫室氣體:早稻:CH43.78kg/hm2,N2O0.37kg/hm2;晚稻: CH44.36kg/hm2,N2O0.44kg/hm2.當然,焚燒效率的不確定性使得估算存在一定的誤差,由表4可以看出,早、晚稻水稻秸稈焚燒過程中產(chǎn)生的 CH4占BIS+NPK處理整個生長季CH4排放的4.7%和5.2%,即與BIS+NPK處理稻田CH4排放相比,秸稈焚燒短時間內(nèi)產(chǎn)生的CH4很少,而秸稈焚燒產(chǎn)生N2O占到相當大的比例,早、晚稻秸稈焚燒過程中產(chǎn)生的N2O分別為BIS+NPK處理整個生長季N2O排放的90.1%和53.4%.此現(xiàn)象分析與石生偉等[41]2009年田間觀測研究結果相同.

與RS+NPK處理相比,早、晚稻BIS+NPK處理顯著減少CH4排放,焚燒過程中短時間內(nèi)產(chǎn)生的N2O導致BIS+NPK處理N2O排放增加.綜合分析 3個不同處理下 CH4、N2O的總排放, RS+NPK處理明顯增加 CH4的排放,同時減少N2O的排放.BIS+NPK處理顯著降低 CH4的排放,N2O排放與其他兩個處理無明顯差異.

以100a為時間尺度,單位質(zhì)量的CH4和N2O的全球增溫潛勢(GWP)分別為CO2的25倍和298倍.僅對本試驗水稻生長季田間溫室氣體排放分析, RS+NPK處理CH4、N2O的全球增溫潛勢最大,BIS+NPK處理最小.不同處理田間溫室氣體排放產(chǎn)生的溫室效應均表現(xiàn)為 CH4貢獻較大,其中RS+NPK處理的CH4排放比NPK、BIS+NPK處理分別高出61.1%和107.7%.不同處理田間N2O排放產(chǎn)生的溫室效應,NPK處理比 RS+NPK、BIS+NPK處理高出 93.9%、284.7%.秸稈焚燒產(chǎn)生的 CH4較之焚燒處理田間排放總量,貢獻極小,因此 CH4產(chǎn)生的溫室效應仍表現(xiàn)為 RS+NPK＞NPK＞BIS+NPK的大小順序.秸稈焚燒過程產(chǎn)生大量N2O,BIS+NPK處理N2O產(chǎn)生的全球增溫潛勢接近NPK處理N2O產(chǎn)生的全球增溫潛勢.本試驗秸稈原位焚燒處理降低稻田產(chǎn)量,但產(chǎn)量變化不大,Verna等[42]指出長期定位試驗相同施肥條件下秸稈焚燒顯著降低稻田產(chǎn)量.單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢,秸稈直接還田處理最高,比常規(guī)施肥高出 45.7%.秸稈原位焚燒處理最低,但不能據(jù)此說明秸稈原位焚燒增加稻田的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,本試驗相關土壤要素測定表明,秸稈原位焚燒顯著降低水稻生長季前中期的有機質(zhì)、全N、P、K含量,長期將水稻秸稈進行原位焚燒處理,減少土壤微生物數(shù)量、養(yǎng)分及水分含量,降低土壤質(zhì)量,增強大氣污染程度.因此,有必要進行長期定位試驗,確立秸稈原位焚燒的綜合效益.

表4 不同稻稈還田方式處理下溫室效應分析Table 4 Total GHG emission under different rice-straw treatments

3 結論

3.1 秸稈直接還田配施化肥顯著增加田間 CH4排放,同時減少N2O排放,單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢顯著,高出常規(guī)施肥處理45.7%.

3.2 估算秸稈原位焚燒過程中產(chǎn)生的CH4,早、晚稻均為田間CH4排放的5% 左右.但早、晚稻秸稈焚燒產(chǎn)生的N2O占整個生長季期間的65%以上.BIS+NPK處理明顯降低田間CH4排放,對產(chǎn)量變化影響不大,降低了單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢.但長期將秸稈進行焚燒處理,降低土壤質(zhì)量的同時排放大量污染性氣體,需進一步篩選稻稈處理還田方式進行田間試驗觀測,尋求最佳措施.

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