變更施肥管理對不同肥力水稻土CH4排放影響

付薇薇+尹力初+張蕾+王澤浩

摘要：基于30年水稻土長期定位試驗，在原有定位試驗正常進行的前提下，將其中一部分處理變更施肥，得到兩種新處理：常量有機肥改為化肥（N-C）、化肥改為常量有機肥（C-N），及兩種原有處理：化肥（CF）、常量有機肥（NOM），共4個處理、通過觀測一年水稻輪作周期內(nèi)不同處理的CH4排放通量，研究后續(xù)施肥對不同肥力水稻土CH4排放的影響。結(jié)果表明：施用有機肥能顯著增加CH4排放量，而化肥對CH4排放影響甚??；在不同有機碳水平的水稻土上施用等量相同肥料，有機碳含量高的水稻土更有利于CH4的產(chǎn)生；CH4季節(jié)排放與溫度有顯著相關(guān)性，但與水層深度不存在簡單的相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：CH4排放；變更施肥；土壤有機碳；水稻土；環(huán)境因素

中圖分類號：S152.6+S155.2+92文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2015）04-007l-05

甲烷（CH4）是重要的溫室氣體之一[1]，其增溫潛勢是CO2的25倍[2]，約占溫室氣體對全球氣候變暖貢獻總份額的15￥～20%[3，4]。稻田對CH4排放的貢獻很大，是CH4主要的人為排放源，據(jù)估算，稻田CH4的排放量占大氣CH4總來源的15%左右[5]、稻田CH4排放不僅是中國最主要的CH4排放源之一，也是全球大氣CH4的一個重要排放源，因此，研究中國稻田CH4排放對于研究全球碳收支和氣候變化有特別重要的意義[6]。施肥措施是影響稻田CH4排放且能人為控制的因素之一，近年來，國內(nèi)外研究者普遍認為有機肥能明顯增加稻田CH4排放，并且隨土壤有機碳含量高低的不同，有機肥的施用對稻田CH4排放的影響也不同[7]；稻田施用化肥的CH4排放明顯低于各種有機肥，但是化肥對稻田CH4排放影響結(jié)果很不一致，甚至相反[5，7]。目前有關(guān)土壤培肥過程中施肥對CH4排放規(guī)律影響的研究多是利用長期定位試驗來完成，但是對于已培肥紅壤性水稻土后續(xù)施肥對CH4排放的影響少有報道。本試驗利用一個已有30年歷史的水稻土土壤肥力長期定位試驗下的不同有機肥施用量處理，在保證原有定位試驗繼續(xù)開展的前提下，變更原有施肥處理的部分平行，研究不同后續(xù)施肥管理下已培肥水稻土CH4排放的變化規(guī)律，探討不同肥力水稻土改變施肥措施對CH4排放的影響，以期為已培肥水稻土CH4減排提供合理的施肥依據(jù)。

收稿日期：2015-01-23

基金項目：湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2012B287）

1材料與方法

1.1長期定位試驗及其變更

該定位試驗設(shè)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，四周及頂部圍有永久性不銹鋼圍網(wǎng)，占地面積128m2，種植小區(qū)供試面積1.44m2，池深1.5m，底層鋪15cm厚的卵石與粗砂。供試土壤為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)長期定位試驗中2種長期不同施肥處理水稻土，分別為：化肥處理（CF），常量有機肥處理（NOM）。定位試驗開始前一年把耕性紅壤分層填人，然后淹水種稻。試驗從1982年春季開始淹水種稻連續(xù)進行至今，水耕熟化30年后，原定位試驗中CF、NOM處理土壤有機碳含量分別為14.45、18.67g·kg-1。在較高生產(chǎn)力水平下紅壤稻田有機碳平衡值為19g·kg-1[8]，由此可判斷NOM處理水稻土有機碳基本達到較高生產(chǎn)力水平下的平衡值，而CF處理則未達到，處于不飽和狀態(tài)。

其中CF有6次重復(fù)，NOM有12次重復(fù)。在本試驗開展前從“常量有機肥處理”中隨機選取3個小區(qū)，變更為“化肥處理”，得到常改化處理（N-C），同時從“化肥處理”中隨機選擇3個小區(qū)變更為“常量有機肥處理”，得到化改常處理（C-N），利用新增加的這兩個處理和原有的兩個處理（CF、NOM）進行試驗。其中，各處理的N、P、K養(yǎng)分量與原有長期定位試驗保持一致，但有機肥源統(tǒng)一變更為粉碎的玉米（C4作物）秸稈?；屎陀袡C肥均在水稻移栽前一次性施入土壤。

1.2CH4樣品的采集、測定與計算

于2012～2013年度在小區(qū)中采用靜態(tài)箱法采集CH4氣體樣品。在2012年種植早、晚稻前翻耕土壤并施肥，于每季水稻移栽前安置PVC采樣箱，采樣箱中不種植水稻。箱高30cm，底面積30cm×10cm=300cm2，底座高20cm，插入犁底層以阻止水稻根系進入采樣箱區(qū)域的土壤。水稻移栽后第3天開始采集氣樣，采樣時間為上午8：00～10：00之間，每周采集1次樣品，每間隔10min用注射器抽取箱內(nèi)氣體1次，共4次。如遇不適天氣則適當(dāng)調(diào)整采樣時間間隔。氣體采集后立即帶回實驗室，使用氣相色譜分析儀（GC7900）測定樣品中CH4濃度，然后計算CH4排放速率，CH4通量計算公式為：

F=p×V/A×△C/△t×273/（273+T）式中，F(xiàn)為CH4排放通量（mg·m-2·h-1）；p為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4的密度，p=0.714kg·m-3；V為采氣箱內(nèi)有效空間體積（m3）；A為采氣箱覆蓋的土壤面積（m2）；△C為氣體濃度差；△t為時間間隔（h）；T為采樣時箱內(nèi)溫度（℃）。

CH4累積排放量計算公式為：

M=∑（Fi+1+Fi）/2×（ti+1-ti）×24

式中，M為土壤CH4累積呼吸量（mg·m-2）；F為CH4排放通量，i為采樣次數(shù)，t為采樣時間。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用MicrosoftExcel2007繪制CH4季節(jié)排放動態(tài)變化折線圖以及CH4增溫潛勢的柱狀圖。以不同施肥處理為因素，運用SPSS數(shù)據(jù)編輯器進行單因素方差分析以及相關(guān)性分析，檢驗不同施肥對土壤CH4年累積排放量的影響程度和對增溫效應(yīng)的貢獻大小及環(huán)境因子對CH4排放的影響程度。

2結(jié)果與分析

2.1CH4排放通量的季節(jié)變化

圖1為不同施肥處理下水稻土CH4排放通量（FCH4）的季節(jié)動態(tài)變化，由圖可知，有機肥處理和化肥處理稻田CH4排放通量分別表現(xiàn)出大致相同的季節(jié)變化規(guī)律。在種植水稻期間，有機肥處理（NOM、C-N）的FCH4遠高于化肥處理（CF、N-C），這時期NOM、C-N、N-C、CF的平均排放通量分別為：12.21、9.12、0.75、0.36mg·m-2·h-1。休閑期，有機肥和化肥處理的FCH4均極小，在零水平上下波動。早、晚稻期間，有機肥處理稻田前期有機肥迅速分解，F(xiàn)CH4在返青期出現(xiàn)排放高峰，后逐漸降低，住分蘗期水稻生長旺盛，根系分泌物增多，F(xiàn)CH4再次出現(xiàn)高峰。除此之外，有機肥處理在早稻烤田期FCH4也出現(xiàn)排放小高峰，主要原因是烤田期使大量閉蓄態(tài)CH4從土壤中釋放出來[9]?；侍幚淼咎颋CH4全年維持在一個很低的排放水平，且全年不同時期均有被吸收的現(xiàn)象，最小值為-0.18mg·m-2·h-1。endprint

2.2不同施肥處理稻田CH4年累計排放量

由表1看出，各施肥處理對稻田CH4的排放有一定的影響，水稻田CH4年累計排放量從小到大依次為：CF

CF、N-C、C-N、NOM的土體CH4年累計排放量占其土壤有機碳儲量（0～15cm）的比例分別為0.06%、0.09%、1.25%、1.30%。4種處理在前30年土壤中有機碳的積累有明顯差異，改施等量相同肥料后，CH4排放量卻不同：化肥處理N-C>CF，常量有機肥處理NOM>C-N。兩組結(jié)果說明，在不同有機碳水平的水稻土上施用等量相同化肥或有機肥，有機碳含量高的水稻土更有利于CH4的產(chǎn)生。分析得化肥處理和有機肥處理CH4排放量分別在0.01和0.05水平上與土壤有機碳相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.951和0.836。以往研究也表明，水稻土CH4產(chǎn)量與土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)[13，14]，土壤含碳量越高，CH4排放量越大，因為土壤有機碳提供電子，土壤易于還原而形成適宜CH4產(chǎn)生的嚴(yán)格厭氧條件，并且它還是產(chǎn)甲烷菌的重要底物和能量來源。

2.3影響稻田CH4排放的因素

2.3.1溫度溫度是影響CH4排放的重要環(huán)境因子，土壤溫度影響有機碳的分解速率及CH4產(chǎn)生和排放速率，還影響產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性[15]。從圖1可看出，氣溫和5cm土溫變化同步，趨勢一致，存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.975**，P<0.01）。試驗證明在水稻生長期CH4季節(jié)排放與氣溫及5cm土溫有相同的變化趨勢，和兩者皆有顯著相關(guān)性，以5cm土溫為例：CF（r=0.349*，P<0.05），N-C（r=0.342*，p<0.05），NOM（r=0.660**，P<0.01），C-N（r=0.476**，P<0.01）。但在休閑期各處理CH4排放量非常小，所以從圖1看這時期溫度對其影響不明顯。這與吳佳梅和石偉生等的研究結(jié)果一致[10，16]。

2.3.2水分全年土壤水層深度在0～9cm之間，由圖2可見，在水稻生長期，CH4排放通量與水層深度的波動相似，休閑期CH4排放通量非常小，無明顯影響。說明水層深度對稻田CH4排放通量的季節(jié)變化有一定影響，但是通過相關(guān)性分析得出，整個水層的厚度與CH4排放通量之間沒有相關(guān)性。稻田水層起著密閉作用，使土壤形成厭氧還原環(huán)境，為甲烷菌生長和活性提供必要條件[15]。但兩者間沒有簡單的相關(guān)關(guān)系，這可能是因為影響稻田排放的因子很多，環(huán)境因子之間具有復(fù)雜的交互作用[17]，也可能是因為深水層雖然促進CH4產(chǎn)生，但通過氣泡或擴散形式穿越水層時，被氧化掉的量也增大，從而減少了CH4向大氣中的排放[18]。

2.4不同施肥處理稻田的全球增溫潛勢

以100年時間尺度為計，單位質(zhì)量CH4全球增溫潛勢（GWP）是CO2的25倍。在此基礎(chǔ)上，計算出各處理一年輪作周期CH4的GWP。如圖3所示，4個處理的GWP在43.37～1182.23g·m-2之間，從小到大依次為：CF

3結(jié)論與討論

3.1水稻生長期有機肥處理土體CH4的排放通量遠高于化肥處理，但休閑期有機肥和化肥處理CH4排放通量均極小。

3.2有機肥處理改施化肥后土體CH4的排放通量顯著降低，化肥處理改施有機肥處理后水稻土CH4的排放通量顯著提高。說明有機肥能顯著促進水稻土CH4的排放，而化肥對水稻土CH4的排放影響很小。

3.3在不同有機碳水平的水稻土上施用等量相同肥料，土壤有機碳含量高的水稻土更有利于CH4的產(chǎn)生。說明土壤同有有機碳也是水稻土CH4排放的主要碳源。