鐵爐渣施加對(duì)稻田甲烷產(chǎn)生、氧化與排放的影響

王維奇 ，李鵬飛，曾從盛，，王 純，林 芳

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

甲烷是重要的溫室氣體之一，其100a尺度上的高效的單分子增溫潛勢(shì)相當(dāng)于二氧化碳的23倍［1］，使之成為對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)僅次于二氧化碳的溫室氣體［2］。稻田是主要的甲烷排放源，排放量為20—100 Tg/a［3］。隨著人口的增加水稻生產(chǎn)也將不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的甲烷排放量也會(huì)隨之升高，這將加速全球變暖。因此，解決稻田甲烷排放增加與水稻生長(zhǎng)擴(kuò)大之間的矛盾，意義重大。

電子受體可以通過(guò)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性、與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)底物以及提高產(chǎn)甲烷生境的氧化還原電位等途徑調(diào)節(jié)產(chǎn)甲烷過(guò)程，但相關(guān)研究甚少［4］。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(guò)程中得到重視［5］。鐵爐渣作為鋼鐵工業(yè)的廢棄物，含有豐富的鐵受體。Ali等［6-7］在韓國(guó)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)表明，可使稻田甲烷排放減排16%—20%，與此同時(shí)，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(kāi)展的，是否在亞熱帶區(qū)域開(kāi)展鐵爐渣施加試驗(yàn)也可實(shí)現(xiàn)甲烷減排與稻谷增產(chǎn)，尚不清楚，若可實(shí)現(xiàn)減排，主要是通過(guò)控制甲烷產(chǎn)生與氧化中哪個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，也未見(jiàn)報(bào)道?；诖?，本研究開(kāi)展了鐵爐渣施加對(duì)稻田甲烷產(chǎn)生、氧化與排放的影響研究，若可實(shí)現(xiàn)甲烷減排，可為我國(guó)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(diǎn)

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1392．5 mm，蒸發(fā)量為1413．7 mm，相對(duì)濕度為77．6%，地貌主要為沖海積平原，地表平坦，海拔3—5 m，零星分布剝蝕丘陵地貌［8］。實(shí)驗(yàn)區(qū)(圖1)位于福建省農(nóng)科院水稻所吳鳳綜合實(shí)驗(yàn)基地(26．1°N，119．3°E)內(nèi)［9］，該實(shí)驗(yàn)基地共有稻田 7 hm2［10］。土壤耕作層有機(jī)碳含量為 18．11 g/kg，全氮 1．28 g/kg，全磷1．07 g/kg。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要實(shí)行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度，本實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的前茬作物為花菜，實(shí)驗(yàn)前對(duì)翻耕后的田地進(jìn)行人工整平，以保持土壤的均一性。實(shí)驗(yàn)始于2011年4月中旬，至同年7月中旬收獲結(jié)束。實(shí)驗(yàn)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(hào)，4月16日機(jī)插移栽，機(jī)插采用春苗插秧機(jī)，株行距14 cm×28 cm，施用底肥為復(fù)合肥和尿素，施肥量分別為 N-P2O5-K2O=70-70-70 kg/hm2和25 kg N/hm2;蘗肥在約一周后施加，為復(fù)合肥和尿素，分別為N-P2O5-K2O=20-20-20 kg/hm2和15 kg N/hm2;穗肥約在8周后施加，為復(fù)合肥和尿素，分別為N-P2O5-K2O=10-10-10 kg/hm2和8 kg N/hm2。水稻生長(zhǎng)期基本處于淹水狀態(tài)，水深約5—7 cm，水稻成熟時(shí)曬田。

圖1 采樣點(diǎn)位置圖Fig．1 Location of sampling site

在實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇相對(duì)平整的稻田，設(shè)置對(duì)照(CK)、2 Mg/hm2(FeⅠ)、4 Mg/hm2(FeⅡ)和8 Mg/hm2(FeⅢ)的鐵爐渣施加樣地，并在水稻移栽前將鐵爐渣施加到實(shí)驗(yàn)田里。每個(gè)處理樣地長(zhǎng)和寬為4 m×3 m，并用PVC板隔離，防止實(shí)驗(yàn)田間水體、物質(zhì)互相流通交換。各處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)靜態(tài)箱底座里應(yīng)包含有兩株植物體長(zhǎng)勢(shì)相似的水稻苗，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后，計(jì)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%)，設(shè)置對(duì)照，在施加量以比例分別均勻撒入實(shí)驗(yàn)田中。在測(cè)定過(guò)程中，為了減少人為干擾，實(shí)驗(yàn)均在人工搭設(shè)的棧橋上進(jìn)行。

1．2 氣體采集與分析方法

采用靜態(tài)箱法-氣相色譜法對(duì)稻田甲烷產(chǎn)生、氧化和排放過(guò)程進(jìn)行測(cè)定。靜態(tài)箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長(zhǎng)寬高分別為0．3 m ×0．3 m ×1．0 m(頂端安裝有小風(fēng)扇并具溫度計(jì)插孔)，側(cè)面有抽氣孔，底座長(zhǎng)寬高分別為0．3 m ×0．3 m ×0．3 m(具凹槽)，并在整個(gè)生長(zhǎng)期固定在樣地內(nèi)。

采樣時(shí)間一般選在9:00—13:00，在約9:00和12:00各測(cè)定1次甲烷排放通量，這樣重復(fù)測(cè)定兩次可使甲烷排放通量更加接近于一天的平均值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。甲烷排放通量的測(cè)定采用靜態(tài)箱法直接測(cè)定，蓋上頂箱后立刻用100 mL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1次樣品，共抽取3次，在抽氣過(guò)程中保持勻速，同時(shí)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;甲烷產(chǎn)生量的測(cè)定步驟為，先蓋上頂箱，添加甲烷氧化抑制劑(乙炔濃度4%［11］)，為充分?jǐn)U散到土壤中，放置過(guò)夜，第2天掀開(kāi)頂箱，通氣5 min，立即蓋上頂箱測(cè)定甲烷排放通量即為甲烷產(chǎn)生量，同樣于在約9:00和12:00各測(cè)定1次甲烷排放通量;甲烷氧化量則通過(guò)甲烷產(chǎn)生量與甲烷排放通量的差值求得。其中，甲烷排放通量為7d測(cè)定1次，產(chǎn)生量與氧化量為15d測(cè)定1次。

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(jìn)行分析。甲烷檢測(cè)器為FID，色譜柱為5A分子篩，進(jìn)樣口溫度為60℃，檢測(cè)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(guó)計(jì)量科學(xué)研究院生產(chǎn)的CH4標(biāo)氣進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測(cè)氣體的峰面積計(jì)算待測(cè)氣體的濃度。氣體通量的計(jì)算公式如下:

式中，F(xiàn)為甲烷排放通量(mg·m-2·h-1);M為甲烷的摩爾質(zhì)量(g);V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol甲烷氣體的體積(L);H為靜態(tài)箱高度;dc/ct為單位時(shí)間采氣箱內(nèi)甲烷氣體濃度的變化率(μmol·mol-1·h-1);T為靜態(tài)箱內(nèi)溫度(℃)。

在水稻收獲期，采集CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地0—30 cm稻田土壤，并測(cè)定土壤三價(jià)鐵、有效硅和有效鈣含量。與此同時(shí)，測(cè)定水稻產(chǎn)量特征。

1．3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2003和SPSS 13．0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。原始數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算采用Excel 2003，甲烷產(chǎn)生、氧化與排放的測(cè)定數(shù)據(jù)為9:00與12:00測(cè)定結(jié)果的平均值，采用SPSS 13．0中One-Way ANONY對(duì)不同爐渣施加量比例下稻田甲烷產(chǎn)生、氧化與排放的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性水平小于0．05表示差異性顯著，小于0．01表示差異性極顯著。

2 結(jié)果分析

2．1 鐵爐渣對(duì)稻田甲烷產(chǎn)生過(guò)程的影響

稻田CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷產(chǎn)生量依次為0．06—8．87 mg·m-2·h-1、0．12—8．28 mg·m-2·h-1、0．15—7．84 mg·m-2·h-1和0．17—7．82 mg·m-2·h-1，平均產(chǎn)生量分別為4．68 mg·m-2·h-1、3．92 mg·m-2·h-1、3．14 mg·m-2·h-1和2．76 mg·m-2·h-1，各處理之間差異顯著(P＜0．05)，甲烷產(chǎn)生量表現(xiàn)為CK＞FeⅠ＞FeⅡ＞FeⅢ，F(xiàn)eⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷產(chǎn)生量分別減少了16%、33%和41%。鐵爐渣施加后明顯減少了稻田甲烷的產(chǎn)生量(P＜0．05)，但甲烷產(chǎn)生量的季節(jié)變化規(guī)律并未因鐵爐渣的施加而改變(圖2)，3種處理樣地甲烷產(chǎn)生量均在第71天達(dá)到最高值，水稻收割前后迅速降低。

2．2 鐵爐渣對(duì)稻田甲烷氧化過(guò)程的影響

稻田 CK、Fe Ⅰ、Fe Ⅱ和 Fe Ⅲ樣地甲烷氧化量分別是 0．02—1．27、0．09—0．95、0．09—1．54、0．09—2．79 mg·m-2·h-1，平均氧化量為0．46、0．47、0．59、0．55 mg·m-2·h-1。FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷氧化量分別提高了4．4%、9．9%和2．3%?？梢?jiàn)，鐵爐渣的施加一定程度上提高了稻田甲烷的氧化量，與對(duì)照相比，差異顯著(P＜0．05)。從水稻整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)來(lái)看，鐵爐渣施加后水稻生長(zhǎng)期大部分時(shí)間段(1—71d)增加了甲烷的氧化量，水稻生長(zhǎng)后期及收割以后(78—92d)表現(xiàn)不明顯(圖3)。

圖2 稻田甲烷產(chǎn)生量Fig．2 Methane production rate in paddy fields

圖3 稻田甲烷氧化量Fig．3 Methane oxidation in paddy fields

2．3 鐵爐渣對(duì)稻田甲烷排放的影響

圖4 稻田甲烷排放季節(jié)變化Fig．4 Seasonal methane emission in paddy fields

甲烷的排放量在移栽后15d內(nèi)很低，之后明顯增加。CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷排放通量分別為0．04—7．99、0．03—7．33、0．06—6．30、0．08—5．12 mg·m-2·h-1，平均值分別為3．11、2．29、1．76和1．59 mg·m-2·h-1，各處理之間差異顯著(P＜0．05)，其中，2、4和8 mg·hm-2鐵爐渣施加使土壤甲烷排放分別減少了 26．4%、43．3%、48．9%，從水稻整個(gè)生長(zhǎng)期來(lái)看，鐵爐渣施加后明顯減少了稻田甲烷排放(P＜0．05，圖4)。

2．4 鐵爐渣對(duì)稻田土壤肥力和水稻產(chǎn)量的影響

稻田CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地在水稻收獲階段的產(chǎn)量與土壤理化特征見(jiàn)表1。因?yàn)殍F爐渣中含有CaO、SiO2和Fe2O3，其組成分別達(dá)到34．9%、40．7%和4．8%，其施加到稻田后，稻田土壤的速效鈣、速效硅和三價(jià)鐵含量也不同程度的提高(表1)，稻田土壤養(yǎng)分的增加進(jìn)而改善水稻產(chǎn)量特征。

3 結(jié)論與討論

鐵爐渣施加后，甲烷產(chǎn)生量下降，氧化量提高，并最終導(dǎo)致甲烷排放的降低。鐵爐渣施加減少了甲烷的產(chǎn)生量可能是由于鐵爐渣的施加增加了土壤中鐵的含量，作為重要的電子受體的鐵的增加一定程度上抑制了甲烷的產(chǎn)生過(guò)程，主要是通過(guò)以下幾種機(jī)制來(lái)影響甲烷的產(chǎn)生，第一，鐵電子受體將底物的濃度降低到甲烷產(chǎn)生菌不能利用的程度［12］;第二，鐵電子受體將氧化還原電位提高到了超過(guò)甲烷產(chǎn)生菌的適應(yīng)范圍［13-14］;第三，鐵電子受體對(duì)甲烷產(chǎn)生菌的毒害作用［15］;第四，鐵電子受體的還原菌組群與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)乙酸和電子供體［16］。此外，曲東等［17］研究表明，外源鐵的添加可促進(jìn)原有土壤鐵的還原過(guò)程，這將使得本研究中鐵爐渣的施加后，對(duì)甲烷產(chǎn)生底物的競(jìng)爭(zhēng)從速度與數(shù)量?jī)煞矫娑嫉玫搅思訌?qiáng)。與此同時(shí)，本研究中鐵爐渣施加對(duì)甲烷產(chǎn)生的抑制作用表現(xiàn)出隨著水稻植株的生長(zhǎng)而增強(qiáng)，這可能與外源底物(如本研究中水稻根系分泌物、脫落物)的輸入促進(jìn)鐵的還原，從而強(qiáng)化對(duì)甲烷產(chǎn)生的抑制作用有關(guān)［17］。

表1 收獲階段水稻產(chǎn)量與土壤理化特征Table 1 Rice yield and soil chemical properties at the harvesting stage

鐵爐渣施加對(duì)甲烷氧化的影響可能是由于，鐵爐渣顆粒物質(zhì)的施加，使得土壤的容重降低，孔隙度增加，大氣環(huán)境的氧氣進(jìn)入量可能有所提高，也與鐵爐渣中富含硅，使得根系的泌氧活性增強(qiáng)有關(guān)［6］。此外，新近的研究表明，鐵可以作為電子受體在厭氧環(huán)境下以甲烷作為電子供體，發(fā)生還原作用［18］，依此看來(lái)，甲烷發(fā)生厭氧氧化也可能是鐵爐渣施加后稻田甲烷氧化量升高的原因之一。

從本研究中鐵爐渣施加對(duì)稻田甲烷的減排效量看，明顯高于Ali［6-7］等在韓國(guó)同等施加量的甲烷減排效果，這可能是由于本研究觀測(cè)期內(nèi)溫度高于Ali等研究導(dǎo)致的，正如Lovley［16］在土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，三價(jià)鐵還原的最適溫度為32—41℃，在這個(gè)范圍內(nèi)，三價(jià)鐵還原速率較快，而在高于或低于這個(gè)溫度時(shí)，三價(jià)鐵還原速率較慢。福建稻田生長(zhǎng)期溫度范圍基本維持在這個(gè)鐵還原的最適溫度范圍，而在韓國(guó)水稻生長(zhǎng)季的溫度很難一直維持在這個(gè)溫度范圍，由此可見(jiàn)，溫度高低導(dǎo)致的對(duì)鐵還原速率差異決定了本研究減排效果高于在北方溫帶地區(qū)的研究結(jié)果。

綜上所述，鐵爐渣的施加可以有效減少稻田甲烷排放，與此同時(shí)還可提高水稻產(chǎn)量，因此，從本研究的初步研究結(jié)果看，鐵爐渣可作為一種有效地甲烷減排和水稻產(chǎn)量提高的改良劑。當(dāng)然，其有效性與持續(xù)效應(yīng)還有待于今后進(jìn)一步開(kāi)展更為深入的研究。

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