鐵爐渣施加對(duì)稻田氧化亞氮通量的影響

林 芳， 藍(lán) 妮， 王 純,2， 王維奇,2， 林德華,2

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 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)

氣候變暖是當(dāng)今全球性的環(huán)境問題，對(duì)人類生存環(huán)境的變化有著十分重要的影響，其主要原因是大氣中溫室氣體濃度不斷增加。氧化亞氮(N2O)是主要的溫室氣體之一。其100年尺度的增溫潛勢(shì)分別是二氧化碳的296倍，甲烷的13倍[1]。稻田是N2O的重要的來源地，人們對(duì)稻谷需求量的增加，以及氮肥的過量使用會(huì)導(dǎo)致N2O排放的增加。因此，在擴(kuò)大糧食生產(chǎn)的同時(shí)如何有效地減少稻田N2O排放的研究意義重大。

富含氧化態(tài)的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[2-3]，但關(guān)于鐵受體在減排稻田甲烷排放的同時(shí)，對(duì)于另一種重要的溫室氣體N2O的影響如何，尚未見專門報(bào)道。深入探討鐵爐渣施加對(duì)稻田N2O排放影響的過程與有效性，對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)鐵受體在稻田溫室氣體減排方面應(yīng)用與推廣具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。本研究開展了鐵爐渣施加對(duì)稻田N2O通量的影響研究。

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1 392.5 mm，蒸發(fā)量為1 413.7 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[4]。實(shí)驗(yàn)區(qū)(見圖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)[5]，該實(shí)驗(yàn)基地共有稻田7 hm2[6]。土壤耕作層有機(jī)碳含量為18.11 g/kg，全氮為1.28 g/kg，全磷為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，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)，2011年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。施肥見情況文獻(xiàn)[7]。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

在實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇相對(duì)平整的稻田，設(shè)置對(duì)照樣地(CK)和施加2 Mg/hm2(Fe I)、4 Mg/hm2(Fe II)和8 Mg/hm2(Fe III)的鐵爐渣樣地，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×2 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，施加量以比例分別均勻撒入實(shí)驗(yàn)田中。在測(cè)定過程中，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N2O日通量與季節(jié)通量進(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、0.3、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、0.3、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N2O通量，這樣重復(fù)測(cè)定2次可使N2O通量更加接近于一天的平均值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。N2O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N2O氣體70 mL，并打入氣袋內(nèi)，后每隔15 min再抽取1次樣品，共抽取3次，在抽氣過程中保持勻速，同時(shí)在底座凹槽內(nèi)加水密封，防止靜態(tài)箱內(nèi)N2O氣體外泄?？紫端腥芙庑訬2O的采集采用孔隙水取樣器，并將10 mL孔隙水注入到預(yù)先抽真空的密封玻璃瓶(20 mL)，放在冰盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室放入冰柜4 ℃保存。

N2O通量為7天測(cè)定1次，日通量測(cè)定分別于水稻分蘗期(2011年5月20日)和成熟期(2011年7月3日)各測(cè)定1次，時(shí)間間隔為3 h，孔隙水中溶解性N2O為15天測(cè)定1次。

N2O的測(cè)定與通量的計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[8]?？紫端蠳2O濃度c(nmol/L)計(jì)算公式[9]如下：

c=[(ch×Vh)/22.4]/Vp

其中Ch為小瓶上部空間N2O濃度c(nL/L)，Vh為小瓶上部空間體積(mL)，Vp為小瓶里孔隙水體積(mL)。

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。N2O季節(jié)通量數(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)不同比例爐渣施加量的稻田N2O日通量、季節(jié)通量和孔隙水中溶解性N2O的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性水平小于0.05表示兩者呈顯著差異性，小于0.01表示兩者間呈極顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵爐渣施加對(duì)生長(zhǎng)期稻田N2O通量日變化的影響

分蘗期5月20日(晴)，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地的N2O通量(見圖2)分別為：-14.02～10.73、-19.98～21.25、-14.87～17.54、-16.25～23.32 μg/(m2·h)，平均通量分別為：-1.37、2.78、0.15、3.14 μg/(m2·h)。觀測(cè)日內(nèi)N2O通量各爐渣處理組明顯高于CK組，但差異不顯著(P>0.05)。同時(shí)，各爐渣處理組和CK組N2O通量具有明顯的日變化規(guī)律，呈降低—升高—降低的趨勢(shì)。其中，F(xiàn)e I樣地的變幅最大，F(xiàn)e II和Fe III樣地次之，CK組變幅最小，這說明爐渣的施加增加了N2O通量日變化的異質(zhì)性，但觀測(cè)日各爐渣處理組與CK組N2O通量差異不顯著(P>0.05)。

成熟期7月3日(陰雨)，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地N2O通量(見圖3)分別為： -28.53～58.08、-268.4～40.411、-24.5～51.477、-18.55～15.593 μg/(m2·h)，平均通量分別為：16.25、2.26、13.57、2.33 μg/(m2·h)。鐵爐渣的施加降低了觀測(cè)日內(nèi)N2O通量，F(xiàn)e I、Fe II和Fe III樣地對(duì)CK組N2O通量減少比例分別約為86.1%、16.5%、85.7%。其中Fe I和Fe III樣地對(duì)N2O減排尤為顯著(P<0.05)。

圖2 2011年5月20日稻田N2O通量的變化

圖3 2011年7月3日對(duì)N2O通量的變化

2.2 鐵爐渣施加對(duì)生長(zhǎng)期稻田N2O通量季節(jié)變化的影響

CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地N2O季節(jié)通量(見圖4)分別為：-84.77～358.83、-19.11～225.23、-59.09～171.17、-89.27～146.62 μg/(m2·h)，平均通量分別為：36.09、28.54、26.97、12.14 μg/(m2·h)，鐵爐渣施加后，降低了N2O的平均通量，但差異不顯著(P>0.05)。N2O累積排放主要集中在水稻移栽后1個(gè)月內(nèi)，CK組和各爐渣處理組N2O通量季節(jié)變化并無明顯的差異。

圖4 生長(zhǎng)季節(jié)稻田N2O通量

對(duì)水稻生長(zhǎng)期爐渣施加量和N2O排放量進(jìn)行指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地生長(zhǎng)季稻田N2O排放量分別為79.69、63.02、59.55、26.80 mg/m2，F(xiàn)e I、Fe II和Fe III樣地對(duì)CK組樣地N2O排放減少比例分別為20.9%、25.3%、66.4%，表現(xiàn)為隨著鐵爐渣施加濃度的增加，N2O排放量逐漸降低。N2O排放量y與鐵爐渣施加量x存在以下關(guān)系：y=85.117e-0.134 2x，R2=0.934 2。

2.3 鐵爐渣施加對(duì)稻田孔隙水N2O濃度變化的影響

測(cè)得的稻田孔隙水N2O濃度變化情況見圖5。

CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地深度為0～10、10～20、20～30 cm土層的孔隙水N2O平均濃度分別為：1.566 6、0.417 5、1.257 4、1.078 9 nmol/L；0.519 0、0.443 2、0.413 5、0.384 2 nmol/L；0.739 1、0.349 7、0.382 0、0.533 0 nmol/L。在0～10 cm土層， Fe I、Fe II和Fe III樣地對(duì)CK組N2O平均濃度減少分別為73.3%、19.7%、31.1%，F(xiàn)e I對(duì)孔隙水中N2O的減排最為顯著(P<0.05)；CK和Fe III樣地在中期N2O濃度出現(xiàn)峰值，F(xiàn)e II在中期出現(xiàn)一個(gè)次高峰在后期出現(xiàn)最高峰；在10～20 cm土層， Fe I、Fe II和Fe III樣地對(duì)CK組N2O平均濃度減少比例分別為14.6%、20.3%、26.0%，表現(xiàn)為各爐渣處理組對(duì)稻田孔隙水N2O濃度減排均不明顯；在20～30 cm土層，F(xiàn)e I、Fe II和Fe III樣地對(duì)CK組N2O平均濃度減少比例分別為52.7%、48.3%、27.9%。Fe I對(duì)孔隙水中N2O的減排最顯著(P<0.05)，F(xiàn)e II次之，F(xiàn)e III相對(duì)CK組減排比例最小。0～10 cm土層和第20～30 cm土層爐渣施加對(duì)稻田孔隙水N2O濃度的減少幅度都大于10～20 cm土層。

圖5 稻田各層孔隙水N2O濃度

2.4 鐵爐渣施加對(duì)非生長(zhǎng)季節(jié)稻田N2O排放的影響

CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地非生長(zhǎng)季節(jié)稻田N2O通量依次為： 14.34～285.28、2.44～211.06、18.34～111.35、-12.33～52.15 μg/(m2·h)，平均通量分別為：176.78、76.42、68.12、19.91 μg/(m2·h)，隨著爐渣添加量的增加N2O通量相應(yīng)減少(見圖6)，F(xiàn)e I、Fe II和Fe III樣地對(duì)CK組N2O通量減少比例分別為56.8%、61.5%、88.7%。CK組的變幅最大，F(xiàn)e I、Fe II樣地次之，F(xiàn)e III變幅最小。CK組變化程度是Fe III樣地的4.2倍。

圖6 非生長(zhǎng)季稻田N2O通量

3 結(jié)論與討論

對(duì)比5月20日(晴)和7月3日(陰雨)鐵爐渣施加對(duì)稻田N2O排放日變化的影響發(fā)現(xiàn)， N2O排放低時(shí)(5月20日)，鐵爐渣施加對(duì)稻田N2O排放影響不明顯，而N2O排放相對(duì)較高時(shí)(7月3日)鐵爐渣施加降低了稻田N2O排放。究竟是什么原因?qū)е逻@種差異，有待于今后進(jìn)一步的深入研究。鐵爐渣施加后對(duì)稻田N2O排放的季節(jié)變化影響不明顯，這可能是因?yàn)镹2O的排放是產(chǎn)生、傳輸、排放綜合作用的結(jié)果[10]，但前期排放較高，與稻田管理中的施肥情況有關(guān)[11]。土壤N2O排放通量取決于土壤硝化與反硝化的反應(yīng)速率、N2O在反應(yīng)產(chǎn)物中的比例及N2O逸散進(jìn)入大氣前在土壤中的擴(kuò)散程度和被還原程度[12]。隨著鐵爐渣濃度的增加，土壤各層孔隙水中N2O的濃度不斷減小，這與Huang等[13]研究結(jié)論相似，總體來看， 0～10 cm 層N2O的濃度最高，主要原因有以下兩點(diǎn)：一是受到施肥的影響，使得表層氮源較為豐富，有利于N2O的生成和積累；二是地表干濕交替的頻率高于底層，也有利于N2O的生成和積聚?；诖耍狙芯砍醪酵茢嗟咎锿寥辣韺涌赡苁荖2O生成的主要發(fā)生層。此外，從不同層次孔隙水N2O濃度的變化趨勢(shì)看，表層孔隙水N2O濃度的波動(dòng)性較大，這與稻田土壤表層多變的環(huán)境條件密切相關(guān)，而底層N2O濃度的穩(wěn)定性也正是環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定性的表現(xiàn)。

非生長(zhǎng)季稻田N2O的排放量隨著鐵爐渣濃度的增加而相應(yīng)減少。生長(zhǎng)季節(jié)的稻田N2O的排放量小于非生長(zhǎng)季節(jié)，且都隨著爐渣施加量的增加而減小。這主要是由于水稻成熟前稻田長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，土壤缺氧，氧化還原電位較低，N2O排放較少，而收獲后排干曬田，提高了氧化還原電位，有利于土壤硝化反硝化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，從而導(dǎo)致觀測(cè)后期N2O排放量急劇上升[14-15]。

[1] IPCC. Changes in atmospheric constituents and in radioactive forcing. In: Climate Change: the physical science basis. Contribution of working group Ⅰto the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2007.

[2] 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.

[3] 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.

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

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

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

[7] 王純，王維奇，李鵬飛.鐵爐渣對(duì)稻田土壤甲烷傳輸釋放的影響研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(7):40-43.

[8] 馬永躍,仝川,王維奇,等.浮萍對(duì)福州平原稻田CH4和N2O的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)報(bào),2012,20(6):723-727.

[9] Ding W X, Cai Z C, Tsuruta H. Summertime variation of methane oxidation in rhizosphere of a Carex dominated freshwater marsh[J].Atmospheric Environment, 2004,38:4165 -4173.

[10] 傅志強(qiáng), 黃璜, 朱華武, 等. 水稻CH4和N2O的排放及其與植株特性的相關(guān)性[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,37(4):359-360.

[11] 鄒建文,黃耀, 宗良綱,等.不同種類有機(jī)肥施用對(duì)稻田CH4和N2O排放的綜合影響[J].環(huán)境科學(xué),2003,24(4):7-12.

[12] 丁洪, 蔡貴信, 王躍思, 等. 華北平原幾種主要類型土壤的硝化及反硝化活性[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 2001,20(6):390-393.

[13] 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.

[14] 徐華,刑光熹,蔡祖聰,等.土壤水分狀況和質(zhì)地對(duì)稻田N2O排放的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2000,37(4):499 -504.

[15] 李香蘭,徐華,蔡祖聰.水分管理影響稻田N2O排放研究進(jìn)展[J].土壤,2009,41(1):1-7.