土壤水分管理對(duì)甲烷和氧化亞氮排放的影響

康新立，華銀鋒，田光明，邵穎慧，牛云景

（1.山西運(yùn)城市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，山西運(yùn)城044000；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州310000；3.山西省運(yùn)城市空港環(huán)保局，山西運(yùn)城044000）

CH4和N2O不僅是重要的溫室氣體，而且參與大氣中許多光化學(xué)反應(yīng)。由于人類活動(dòng)的增加，CH4和N2O在大氣中的濃度分別以1.1%和 0.25%的年增長(zhǎng)率急劇上升。研究表明，大氣中的CH4和N2O79%～90%來自地表生物源，而全球水稻釋放的CH4量占生物總量的33%～49%，是大氣中CH4的主要來源[1]。有些研究者提出：濕地中N2O排放量的增加是目前全球N2O的一個(gè)重要組成部分[2]。由于全球水稻種植面積在迅速增加，稻田CH4和N2O的排放在全球通量變化中起著重要作用。因此制定或評(píng)介溫室氣體減排措施時(shí)，充分考慮二者之間的消長(zhǎng)尤為重要。本實(shí)驗(yàn)從影響二者的主要因素——水分管理入手，較詳細(xì)地研究稻田土壤不同水分管理?xiàng)l件對(duì)CH4和N2O排放的綜合影響機(jī)制，尋找控制農(nóng)田溫室氣體排放的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤取自無錫水稻田，有機(jī)質(zhì)含量為17.02 g/kg，全氮0.161%，容重1.053 g/cm3，總孔隙度為65.12%（風(fēng)干基）、70.44%（烘干基）。土壤采集后經(jīng)風(fēng)干，碾碎，過10篩備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取200 g土樣至廣口瓶（520 ml） 內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)時(shí)讓瓶口敞開，將可吸取土壤溶液的軟橡皮管埋于土中。試驗(yàn)按水分管理共分3個(gè)處理，即旱地（60%～70%WFP）、淹水和干濕交替，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)瓶，呈隨機(jī)分布。試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)58 d，干濕處理的時(shí)間安排如表1所示：

表1 土樣干濕處理的時(shí)間安排

作干處理時(shí)將土壤中的水分抽至60%～70% WFP。對(duì)各處理施肥的時(shí)間相同，所施肥料為尿素，兩次施肥的總量為200 kgN/hm2（將1.413 g尿素溶解于500 ml容量瓶），以溶液方式施入土壤中，其中第一次為總量的60%，第二次為40%。實(shí)驗(yàn)保持28℃的恒溫。

1.3 氣體采集和分析

采樣前先用橡皮塞塞住廣口瓶，使瓶?jī)?nèi)土壤不與外界發(fā)生氣體交換。這樣密封2 h，用10 ml注射器插入橡皮塞抽取氣體，注入兩個(gè)5ml的青霉素小瓶?jī)?nèi)，記錄塞瓶和采樣的時(shí)間間隔。

CH4濃度用帶有氫離子火焰檢測(cè)器的氣相色譜 （島津GC-112A）分析。采用可調(diào)壓的精密進(jìn)樣器進(jìn)樣，進(jìn)樣體積為1ml，柱溫80℃，檢測(cè)器溫度200℃，載氣為N2。

N2O濃度用HP 5890GC-ECD氣相色譜，采用Ar-CH4（95:5）氣作載氣，流經(jīng)5A分子篩、硅膠合除氧劑凈化，流速30 ml/min，柱溫85℃，檢測(cè)器溫度330℃。

1.4 Eh值的測(cè)定

土壤Eh通過插入廣口瓶土壤的3支鉑電極（深度為10mm），在每次氣體采樣的同時(shí)用便攜式Eh測(cè)定計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分管理對(duì)氧化亞氮排放的影響

圖1 不同水分條件下的氧化亞氮排放

從圖1可以看出，不同水分管理措施下，土壤的N2O排放特征有著明顯的差異。旱地處理的土壤的N2O排放量始終是三者中最低，最低時(shí)甚至出現(xiàn)零排放（如第52 d、56 d、58 d），最高值出現(xiàn)在第37 d（6.8×10-4%）。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，出現(xiàn)的兩個(gè)排放峰分別在第7 d、37 d，濃度相應(yīng)為3.70×10-4%、6.83×10-4%，主要由于對(duì)土壤作了施肥處理，由此可見旱地對(duì)于N2O排放并不具有明顯的貢獻(xiàn)。淹水的土壤總共出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的排放高峰，在其余時(shí)間的排放量與旱地處理并沒有明顯差別。干濕交替的土樣出現(xiàn)4次排放高峰，并且排放量很大，排放時(shí)間出現(xiàn)在第16 d、29 d、37 d、53 d，濃度分別是92.38×10-4%、21.44×10-4%、41.68×10-4%、38.23×10-4%，其排放通量在絕大部分情況下都高于其他兩處理，表明干濕交替對(duì)土壤N2O的排放具有極大的促進(jìn)作用，而長(zhǎng)期淹水則有效地減少了N2O的排放。

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)施肥和水分都對(duì)稻田N2O的排放起著重要的影響作用，水分管理引起的排放變化尤其明顯。從圖2可以看出，在對(duì)干濕交替的土壤樣品水分排干后，N2O的排放大大增加，這與侯愛新等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣，他們?cè)趯?duì)稻田N2O的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)稻田落干后有大量的N2O排放[4]。造成這一現(xiàn)象的主要原因是：水層的存在減少了土壤的通透性，促進(jìn)了反硝化作用；淹水期間土壤完全濕透，土壤空隙被水充滿而密閉，N2O在土壤中積累，由于淹水的時(shí)間較短，不會(huì)造成N2O被大量還原成N2，這樣濕土變干后，閉蓄于水和土壤中的N2O就釋放出來。在第51 d左右，又有一次高峰排放（此時(shí)做了落干處理），與第二次落干（第29 d）相比排放量差異較大，前者約為后者的兩倍，這種變化是由于這一次將水分徹底抽干，而第二次時(shí)土壤尚處于濕潤(rùn)狀態(tài)，并未達(dá)到N2O產(chǎn)生的最佳水分條件。

淹水處理的土壤在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中水分狀況沒有變化，但N2O排放還是出現(xiàn)了兩次高低變化，這種變化正好在施肥后不久，所以可以認(rèn)為淹水處理中N2O的兩次高峰排放是由施肥引起的,即尿素分解過程中生成的NH3使部分微生物死亡、分解，當(dāng)經(jīng)過一定時(shí)間后，微生物復(fù)活，N2O生成增加；第二次出現(xiàn)在施肥約4 d后，比前一次提前，主要因?yàn)榻?jīng)過三十幾天的培養(yǎng)，反硝化細(xì)菌已積累了足夠數(shù)量，而且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性也相應(yīng)增加。大量的N2O排放需要充分的無機(jī)N和有機(jī)C的供應(yīng)，因此如果施肥與灌溉或降雨同時(shí)進(jìn)行或在灌溉之前施肥，將大大促進(jìn)N2O的排放[5]，因此，干濕交替造成的大量排放應(yīng)該看作是施肥與水分管理的雙重結(jié)果。

2.2 水分管理對(duì)甲烷排放的影響

從圖2可以看出：間歇淹水處理在開始時(shí)水分狀況與長(zhǎng)期淹水處理相同，兩者的CH4排放量也比較接近，但是當(dāng)作干處理后甲烷排放迅速降低（如在18 d左右），而持續(xù)淹水在這之后還出現(xiàn)了另一個(gè)排放高峰，并且在總體上排放的CH4量要高于前者。干旱土壤的CH4一直維持在穩(wěn)定的水平（大約2×10-4%） 左右。通過文獻(xiàn)[6]可知，CH4從土壤向大氣排放的三個(gè)途徑中，植物通氣組織的運(yùn)輸最重要，有時(shí)可占到CH4排放總量的95%以上，而且種植水稻能促進(jìn)CH4的排放，其排放速率比未種水稻的高出2～50倍。所以在種植水稻的農(nóng)田，甲烷的排放量要增加許多。

圖2 不同水分條件下的甲烷排放

2.3 水分管理下CH4和N2O排放的相互關(guān)系

圖3 干濕交替條件下CH4和N 2O（縱坐標(biāo)）

從圖3可以看出CH4和N2O排放存在著一定的相互消長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)CH4排放處高峰時(shí)（第10～13 d、30 d、41 d、42 d、49 d、56 d），N2O排放量卻處于相應(yīng)時(shí)間段的低谷；而當(dāng)N2O排放量增加較為明顯時(shí)，CH4正處于排放的低點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在第一次施肥前后存在著顯著的相互消長(zhǎng)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.609，n=10，顯著性t檢驗(yàn)，p=0.043，從第11 d起）。

Parashar等[7]通過人為控制土壤溫度的方法系統(tǒng)研究了土壤溫度與稻田甲烷排放量的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)溫度每升高一度，CH4排放量增加1.5～2.0倍，最佳溫度為34.5℃。在本實(shí)驗(yàn)中土壤溫度一直在28℃，受溫度影響不大。另外，田間土壤的理化性質(zhì)變化較大，與空氣接觸面積比實(shí)驗(yàn)條件下廣，從而易于排放或發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

2.4 Eh變化及其對(duì)CH4和N2O排放的影響

通過圖4、圖5對(duì)比干旱與淹水處理的Eh與氣體排放的關(guān)系，可以看出CH4和N2O排放與土壤Eh的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在Eh較低的情況下，CH4的排放較高。

3 結(jié)論

水分管理對(duì)稻田CH4和N2O排放起著重要的控制作用，N2O排放主要集中在水分變化劇烈的干濕交替階段，只有選擇合適的水分管理模式才能有效地抑制CH4和N2O的產(chǎn)生。

水分管理通過改變土壤Eh來影響CH4和N2O的排放量，比較前后期的排放濃度發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)是造成排放量發(fā)生差異的主要原因。

圖4 Eh變化和甲烷排放的關(guān)系

圖5 Eh對(duì)CH4和N 2O排放的影響（時(shí)間指第一次施肥后的天數(shù)）

通過瓶載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)稻田土壤CH4和N2O排放之間存在互為消長(zhǎng)的關(guān)系，并為研究稻田CH4和N2O排放關(guān)系提供了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法的參考。

[1]艾應(yīng)偉，范志金.土壤生態(tài)系統(tǒng)的甲烷代謝及其地球循環(huán)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1997，16（8）：138-140.

[2]蔡祖聰，徐華，盧維盛，等.冬季水分管理方式對(duì)稻田CH4排放量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1998,9（2）：171-175.

[3]顏曉元，蔡祖聰.水稻土中CH4氧化的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，8（6）：589-594.

[4]侯愛新，陳冠雄，吳杰，等.稻田CH4和N2O排放關(guān)系及其微生物學(xué)機(jī)理和一些影響因子[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，8（3）：270-274.

[5]FOTCH D D，VERSTRAETE W.Biochemical ecology of chromatography-mass spectrometry for detection of concurrentmineralization and denitrification in soil[J].Advances in Microbial ecology，1977（1）：135-214.

[6]GANLI T，BOCHMAN O C.Nitrous oxide from agriculture[J].Norweigian Jof agriculture sicience，1994（12）：7-128.