稻田土壤理化特征與甲烷排放對鐵爐渣施加響應(yīng)

王維奇，王 純，李鵬飛，林德華

（1.福建師范大學(xué) 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué) 亞熱帶濕地研究中心，福建 福州 350007）

全球變暖是當(dāng)今的熱點問題，甲烷因其高效的單分子增溫潛勢使其成為僅次于二氧化碳的重要溫室氣體［1－2］。甲烷的主要生物源是厭氧生境，稻田的持續(xù)性淹水成為主要的甲烷排放人為源，排放量為20～100 Tg／a［3］。因此，如何有效地減緩稻田甲烷排放并抑制全球變暖成為了各國政府和科學(xué)家關(guān)注的問題。國內(nèi)外學(xué)者已通過水分管理［4－5］、土壤改良［6－7］、水稻品種選擇［8］等方式來減少稻田甲烷排放。

電子受體對甲烷產(chǎn)生的抑制作用已得到了國內(nèi)外專家學(xué)者的認可［9－10］，在諸多電子受體之中，鐵受體因其在土壤中的數(shù)量較多且在稻田排干后的可再生特性，使其在稻田甲烷減排過程中得到重視［11］。鐵爐渣作為鋼鐵工業(yè)的廢棄物，含有豐富的鐵受體。Ali等［12］的實驗表明，可使稻田甲烷減排16%～20%，與此同時，稻谷產(chǎn)量提高了13%～18%。但這一成果是在溫帶地區(qū)稻田開展的，在亞熱帶區(qū)域鐵爐渣的施加是否也可實現(xiàn)甲烷減排與稻谷增產(chǎn)尚不清楚；若可實現(xiàn)，主要是通過哪種土壤因子的改變而降低稻田甲烷排放的，也鮮見報道。基于此，本研究開展了鐵爐渣調(diào)節(jié)稻田甲烷排放的影響因子分析，為我國稻田甲烷減排提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣點

研究區(qū)位于閩江河口區(qū)福州平原的南分支——烏龍江的北岸，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為19.6℃，年均降水量為1392.5mm，蒸發(fā)量為1413.7mm，相對濕度為77.6%，地貌主要為沖海積平原，地表平坦，海拔3～5m，零星分布剝蝕丘陵地貌［13］。實驗區(qū)位于福建省農(nóng)科院水稻所吳鳳綜合實驗基地（26.1°N，119.3°E）內(nèi)［14］，該實驗基地共有稻田7hm2［15］。土壤耕作層有機碳含量為18.11g／kg、全氮1.28g／kg、全磷1.07g／kg。實驗區(qū)內(nèi)主要實行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度，本實驗點的前茬作物為花菜，實驗前對翻耕后的田地進行人工整平，以保持土壤的均一性。實驗始于2011年4月中旬，至同年7月中旬結(jié)束。實驗稻田為早稻田，水稻栽培品種為江西省農(nóng)科院研發(fā)的和盛10號，4月16日機插移栽，機插采用春苗插秧機，株行距為14cm×28cm。施用底肥為復(fù)合肥和尿素，施肥量：N、P2O5、K2O 都為70kg／hm2，尿素25 kg／hm2；蘗肥在約1周后施加，為復(fù)合肥和尿素，N、P2O5、K2O 都為20kg／hm2，尿素15kg／hm2；穗肥約在8周后施加，為復(fù)合肥和尿素，N、P2O5、K2O為10 kg／hm2，尿素8kg／hm2。水稻生長期基本處于淹水狀態(tài)，水深約5～7cm，水稻成熟時曬田。

在實驗區(qū)選擇相對平整的稻田，設(shè)置對照樣地（CK）和2Mg／hm2（Fe I）、4Mg／hm2（Fe II）、8Mg／hm2（Fe III）的鐵爐渣施加樣地，并在水稻移栽前將鐵爐渣（經(jīng)粗粉碎，直徑小于2mm）施加到實驗田里。每個處理樣地長×寬為4m×3m，并用PVC板隔離，防止實驗田間水體、物質(zhì)互相流通交換。各處理設(shè)置3個重復(fù)，每個靜態(tài)箱底座里應(yīng)包含有2株植物體長勢相似的水稻苗，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后，計算好要施加的爐渣量（鐵爐渣中含有CaO、SiO2和Fe2O3分別為34.9%、40.7%和4.8%），鐵爐渣分別均勻撒入實驗田中。在測定過程中，為了減少人為干擾，實驗均在人工搭設(shè)的棧橋上進行。

1.2 樣品采集與分析方法

采用靜態(tài)箱法－氣相色譜法對稻田甲烷排放過程進行測定。靜態(tài)箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長寬高分別為0.3m×0.3m×1.0m（頂端安裝有小風(fēng)扇并具溫度計插孔），側(cè)面有抽氣孔，底座長×寬×高分別為0.3m×0.3m×0.3m（具凹槽），并在整個生長期固定在樣地內(nèi)。

采樣時間一般是09：00—13：00，在約09：00和12：00各測定1次甲烷排放量，這樣重復(fù)測定2次可使甲烷排放量更加接近于一天的平均值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。甲烷排放量的測定采用靜態(tài)箱法直接測定，蓋上頂箱后立刻用100mL注射器抽取甲烷氣體70 mL，并打入氣袋內(nèi)，后每隔15min再抽取一次樣品，共抽取3次，在抽氣過程中保持勻速，同時在底座凹槽內(nèi)加水密封，防止靜態(tài)箱內(nèi)甲烷氣體外泄。

與此同時，用IQ150便攜式pH計（IQ Scientific Instruments）測定土深為0～20cm土壤溫度和pH值；用2265FS便攜式電導(dǎo)鹽分儀（Spectrum Technologies Inc.）測定土壤鹽分。土壤三價鐵的測定采用RPA100型鐵含量測定儀（江蘇江環(huán)科技有限公司）。

采集的甲烷氣樣用日本島津公司生產(chǎn)的氣相色譜儀（GC－2014）進行分析。甲烷檢測器為FID，色譜柱為5A分子篩，進樣口溫度為60℃，檢測器溫度為200℃，柱箱溫度為80℃，載氣為高純氦氣，流速為30 mL／min，用中國計量科學(xué)研究院生產(chǎn)的CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體進行校準(zhǔn)。通過標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體的濃度。甲烷排放量的計算公式為

其中：Q為甲烷排放量（mg／（m2·h））；M 為甲烷的摩爾質(zhì)量（g）；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1摩爾甲烷氣體的體積（L）；H 為靜態(tài)箱高度；dc／ct為單位時間采氣箱內(nèi)甲烷氣體濃度的變化率（μmol／（mol·h））；T 為靜態(tài)箱內(nèi)溫度（℃）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件對測定數(shù)據(jù)進行整理。原始數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的計算采用Excel 2003，甲烷排放的測定數(shù)據(jù)為09：00與12：00測定結(jié)果的平均值，采用SPSS 13.0中One—Way ANONY對不同爐渣施加量比例下稻田甲烷排放、環(huán)境因子的差異性進行檢驗，環(huán)境因子與甲烷排放的相關(guān)性采用preson相關(guān)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 鐵爐渣對稻田甲烷排放的影響

如圖1（a）所示，甲烷的排放量在移栽后15d內(nèi)很低，之后明顯增加。CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地甲烷排放量分別為0.04～7.99、0.03～7.33、0.06～6.30、0.08～5.12mg／（m2·h），平均值分別為4.19、3.28、2.50、2.08mg／（m2·h），各處理之間差異顯著（P＜0.05）。

2.2 鐵爐渣施加對稻田土壤環(huán)境因子的影響

2.2.1 鐵爐渣施加對稻田土壤三價鐵的影響

鐵爐渣中三氧化二鐵含量約占4.8%，鐵爐渣添加后三價鐵離子溶于水稻田土壤中，增加了水稻田土壤的鐵含量（見圖1（b）），CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土壤中三價鐵的含量分別為1.32～7.85、2.66～9.11、5.80～12.48、2.99～15.48mg／g，平均值分別為4.21、5.55、8.93、9.88mg／g，用c 表示土 壤中Fe2O3含量，有c（CK）＜c（Fe I）＜c（Fe II）＜c（Fe III），對照樣地與Fe I差異顯著（P＜0.05），與Fe II和Fe III差異極顯著（P＜0.01）。

圖1 稻田甲烷排放與三價鐵含量季節(jié)變化

2.2.2 鐵爐渣施加對稻田土壤鹽度的影響

從圖2（a）中可以看出，施加鐵爐渣后，土壤鹽度的變化比較明顯，CK、Fe I、Fe II、Fe III樣地土壤鹽度范圍分別為0.46～0.73、0.67～1.01、0.65～0.92、0.62～1.23mS／cm，平均值分別為0.62、0.84、0.79、0.93mS／cm，表現(xiàn)出CK的鹽度＜Fe II的鹽度＜Fe I的鹽度＜Fe III的鹽度，其中鹽度增加最大的是Fe III樣地，增幅達50%。對照樣地與各處理差異極顯著（P＜0.01）。

2.2.3 鐵爐渣施加對稻田土壤pH的影響

如圖2（b）所示，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土壤pH值范圍分別為6.32～6.99、6.40～7.18、6.44～7.49、6.54～7.57，平均值為6.75、6.94、7.05、7.17。鐵爐渣的施加增加了土壤pH值，隨著爐渣施加量增大，土壤pH值也增大。對照與Fe I差異顯著（P＜0.05），與Fe II和Fe III差異極顯著（P＜0.01）。

圖2 稻田土壤鹽度和pH的變化

2.2.4 鐵爐渣施加對稻田土壤溫度的影響

施加鐵爐渣后，測定了不同的鐵爐渣施加對水稻田土溫的影響。圖3顯示的是在施加鐵爐渣后水稻生長階段土壤溫度變化趨勢圖。從整體來看，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土溫隨著水稻移栽天數(shù)的增加都是逐漸上升的，中間有遇到陰雨天氣可能會導(dǎo)致溫度偏低。CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土溫分別為19.53～27.43、19.43～27.40、19.87～27.43、20.30～27.47℃，平均值分別為23.76、23.82、23.92、24.03℃。各處理樣地與對照樣地之間差異不顯著。

圖3 稻田土壤溫度變化

2.2.5 稻田甲烷排放與土壤環(huán)境因子分析

爐渣施加后土壤中三價鐵含量、鹽度和pH值發(fā)生了顯著的變化，相關(guān)分析表明，三價鐵含量、鹽度和pH值的變化與甲烷排放極顯著相關(guān)，分別有：r＝－0.322，P＜0.01；r＝－0.258，P＜0.01；r＝－0.359，P＜0.01。

3 結(jié)論

（1）鐵爐渣的施加降低了稻田甲烷排放。

（2）鐵爐渣的施加增加了土壤三價鐵含量、鹽度和pH值，但對土壤溫度的影響不顯著。

（3）鐵爐渣的施加降低甲烷排放與其施加后土壤三價鐵含量、鹽度和pH值的升高密切相關(guān)。

（References）

［1］IPCC.Changes in atmospheric constituents and in radioactive forcing.In：Climate Change：the physical science basis［G］／／Contribution of working groupⅠto the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2007.

［2］Wuebbles D J，Hayhoe K Atmospheric methane and global change［J］.Earth－Science Reviews，2002，177：210.

［3］Minamikawa K，Sakain N.The practical use of water management based on soil redox potential for decreasing methane emission from apaddy field［J］.Japan Agric Ecosys Environ，2006，116：181－188.

［4］Xiong Z Q，Xing G X，Zhu Z L.Nitrous oxide and methane emissions as affected by water，soil and nitrogen［J］.Pedosphere，2007，17（2）：146－155.

［5］Tyagi L，Kumari B，Singh S N.Water management—A tool for methane mitagation from irrigated paddy fields［J］.Science of the Total Environment，2010，408：1085－1090.

［6］Pangala S R，Reay D S，Heal K V.Mitigation of methane emission from constructed farm wetlands［J］.Chemosphere，2010，78：493－499.

［7］Jackel U，Russo S，Sylvia S.Ehanced iron reduction by iron supplement：A strategy to reduce methane emission from paddies［J］.Soil Biology and Biochemistry，2005，37：2150－2154.

［8］Singh S N.Climate Change and Crops［G］／／Environmental Science and Engineering，Springer－Verlag Berlin Heidelberg，2009.

［9］Ali M A，Oh J H，Kim P J.Evaluation of silicate iron slag amendment on reducing methane emission from flood water rice farming［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2008，128：21－26.

［10］Huang B，Yu K W，Gambrell R P.Effects of ferric iron reduction and regeneration on nitrous oxide and methane emissions in a rice soil［J］.Chmosphere，2009，74：481－486.

［11］Neubauer S C，Toledo－Duran G E，Emerson D.Returning to their roots：iron－oxidizing bacteria enhance short－term plaque formation in the wetland－plant rhizosphere［J］.Geomicrobiology Journal，2007，24：65－73.

［12］Ali M A，Lee C H，Kim P J.Effect of silicate fertilizer on reducing methane emission during rice cultivation［J］.Biology and Fertility of Soils，2008，44：597－604.

［13］陳世亮.福州南臺島地?zé)崆熬皽\析［J］.福建地質(zhì)，2009，28（4）：310－314.

［14］韓蘭芝，侯茂林，吳孔明，等.轉(zhuǎn)cry1Ac＋CpTI基因水稻對大螟的致死和亞致死效應(yīng)［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（2）：523－531.

［15］張數(shù)標(biāo)，吳華聰，張琳.水稻耕種作業(yè)機械化技術(shù)體系研究［J］.福建農(nóng)業(yè)科技，2007（4）：73－74.