不同施肥類型對北方稻田土壤溫室氣體排放的影響

劉春海　傅民杰　吳鳳日

摘要：利用靜態(tài)暗箱一氣相色譜法研究了吉林省延邊地區(qū)不同施肥類型對水稻土壤CO₂、CH₄和N₂O排放通量的影響。結(jié)果表明，稻田3種溫室氣體的排放存在明顯的季節(jié)特征，CO₂排放主要集中于8～10月，而CH₄排放以7、8月為主，水稻生育盛期時N20表現(xiàn)出明顯的負(fù)排放特征，凈排放發(fā)生于移栽期及秋季曬田期：有機(jī)肥與化肥配施促進(jìn)了水稻生育盛期CO₂和CH₄的排放，導(dǎo)致生長季CO₂和CH₄排放總量顯著高于單施化肥和單施有機(jī)肥處理，而單施化肥處理促進(jìn)了生長季N₂O凈排放。水稻植株促進(jìn)了水稻生育期6～8月稻田CO₂和CH₄的排放，與無植株相比，月均通量分別增加了42.9%～226.1%和146.6%～418.9%。生長季土壤溫度對稻田CH₄排放具有顯著影響，但對CO₂和N₂O排放影響不顯著。

關(guān)鍵詞：施肥類型；CO₂；CH₄；N₂O；北方稻田土壤；溫室氣體排放

全球性氣候暖化問題已成為世界矚目的焦點(diǎn)。氣候暖化的根本原因是大氣溫室氣體含量的增加。CO₂、CH₄和N₂O被認(rèn)為是最重要的溫室氣體，對溫室效應(yīng)的總貢獻(xiàn)率可達(dá)80%。其中CO₂對增強(qiáng)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大，約占60%，其次是CH₄，溫室效應(yīng)潛能是CO₂的21～23倍，溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%，N₂O增溫效應(yīng)是CO₂的296～310倍，對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占5%。據(jù)估計(jì)，大氣中每年有5%-20%的CO₂、15%-30%的CH₄、80%～90%的N₂O來源于土壤。農(nóng)田土壤作為溫室氣體排放的一個重要源，其對溫室氣體的排放過程受農(nóng)業(yè)管理措施，包括耕作、灌溉以及施肥等的顯著影響。通過對農(nóng)田土壤中溫室氣體排放的準(zhǔn)確測量，研究分析其機(jī)理和影響因素，正確地評估農(nóng)田土壤對大氣主要溫室氣體含量變化的貢獻(xiàn)，有助于對溫室氣體排放量及其規(guī)律和減排措施的正確了解，從而為溫室氣體減排以及減少氣候變化預(yù)測的不確定性提供理論依據(jù)。農(nóng)業(yè)管理措施中，肥料施用對溫室氣體排放的影響最大，相關(guān)研究在國內(nèi)外農(nóng)田開展的十分普遍，但在中國北方稻區(qū)相關(guān)研究報(bào)道尚不多見。北方稻田因其一年一熟制和較長的凍融期而區(qū)別于南方稻田，由此也導(dǎo)致土壤溫室氣體排放過程發(fā)生相應(yīng)變化。因此，本研究選擇東北種植歷史最長的延邊地區(qū)稻田為研究對象，從不同施肥角度研究稻田生態(tài)系統(tǒng)生長季土壤溫室氣體排放規(guī)律，尋求不同施肥措施與土壤溫室氣體排放之間的聯(lián)系，為未來稻田科學(xué)施肥管理提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于吉林省延邊朝鮮族自治州圖們市涼水鎮(zhèn)水稻種植區(qū)。試驗(yàn)選擇3種施肥類型稻田（每種類型作為1種處理），分別為化肥與有機(jī)肥配施（COF）、單施有機(jī)肥（OF）和單施化肥（CF）。具體施肥類型與施肥量見表1。每種施肥類型在采集溫室氣體時設(shè)3次重復(fù)。同時，在單施化肥的稻田內(nèi)設(shè)裸地（即采樣箱無稻株）采氣處理，以比較分析水稻植株對3種溫室氣體排放的影響。試驗(yàn)從2013年6月上旬開始至11月初結(jié)束，整個生長季每15 d采樣1次。采樣靜態(tài)箱的長、寬、高分別為50、40、50cm。箱體內(nèi)頂端安裝數(shù)顯溫度計(jì)、直流電風(fēng)扇和采氣閥。在稻田生長中后期，靜態(tài)暗箱高度增加1倍，長、寬不變，以確保采氣箱不影響稻株正常生長。

1.2氣體的采集與樣品的測定

每次采樣時，先小心剪除稻株的行間雜草，將暗箱放在凹槽里，有水密封。具體采樣時間定為上午9：00-11：30，嚴(yán)格記錄采樣的準(zhǔn)確時間。在30 min時間段內(nèi)每隔10 min（即0、10、20、30 min）采集1次氣體樣品，每箱共采集4個氣體樣品。用密封性能良好的注射針管通過采氣閥從箱中抽取50 mL氣體，注入氣體采集袋，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測。同時，用便攜式數(shù)字溫度計(jì)測定采樣期箱溫和土壤溫度[0 cm（T0）、地下5 cm（T5）、地下10 cm（T10）]，并采集土壤樣品測定土壤含水量。

氣體樣品測定采用島津2010型氣相色譜儀（SHIMADZU，日本）。以30 min內(nèi)采集的4次氣體樣品濃度與采樣時間的線性相關(guān)系數(shù)計(jì)算每種氣體的通量。每個樣品中分別測定計(jì)算C02、CH4和N₂O通量。各氣體的通量（F）計(jì)算公式如下：

2.結(jié)果與分析

2.1各施肥處理下的CO₂排放通量

由圖1可知，各施肥處理（COF、OF和CF）全生長季稻田土壤C02日均通量間存在顯著差異（P<0.05），具有明顯的季節(jié)變化特征。3種施肥處理的CO₂日均通量的季節(jié)變化格局表現(xiàn)一致，均呈雙峰曲線模式，即從苗期到拔節(jié)末期（6月10日至7月25日），CO₂日均排放通量呈現(xiàn)明顯的直線上升趨勢，并在抽穗開花期（8月13日）達(dá)到生長季首個CO₂通量高峰，其中COF處理為（622.55±41.79）mg/（m2·h），CF處理為（399.39±21.76）mg/（m2·h），OF處理為（348.08±26.66）mg/（m2·h），且COF處理的CO2通量顯著高于其他2種施肥處理（P<0，05）。從抽穗開花期（8月13日）至蠟熟期（9月13日），隨著水稻的日漸成熟，3種施肥處理的CO₂排放通量明顯下降，且3種施肥處理的最低CO₂日均通量間差異不顯著（P>0.05）。3種施肥處理在水稻收獲期（9月27日）出現(xiàn)了第二次CO₂排放高峰，在此期間3種施肥處理間的CO₂通量差異仍不顯著，介于478.44-518.02mg/（m2·h）。收獲期到土壤初凍期，3種處理CO₂通量持續(xù)下降。

從CO₂的月均排放積累量來看，3種施肥處理的季節(jié)排放積累量曲線相似，均表現(xiàn)為隨著水稻生長CO₂排放量增加，并在8月達(dá)到CO₂排放通量峰值，隨后逐漸減少，其中尤以COF處理最為明顯。9、10月的CO₂月均排放通量相近。全生長季COF、CF和OF 3種施肥處理的C02排放通量均值分別為194.37、180.93、175.72 g/m2，COF和CF處理比OF處理分別增加了10.6%和3.0%（圖2）。

2.2各施肥處理下的CH₄排放通量

由圖3可知，3種施肥處理（COF、OF和CF）稻田CH₄日均通量在生長季中均形成單峰排放曲線，其中，OF和CF 2種施肥處理排放曲線相似，在水稻苗期至抽穗開花期間CH₄日均通量表現(xiàn)直線增長模式，并于抽穗開花期達(dá)到生長季最大，其中OF處理為（42.31±15.21）μg/（m2·h），CF處理為（34.55±10.38）μg/（m2·h），且全生長季2種施肥處理的各次通量間差異均不顯著（P>0.05）。而COF處理CH₄日均通量最高為（119.06±43.32）wg/（m2·h），出現(xiàn)在水稻乳熟期（8月29日），比前2種處理延遲16 d。COF處理CH₄最高日均通量是CF處理的3.4倍。此外，3種施肥處理在9月13日至11月1日期間CH₄排放量極少，該期間COF、OF和CF處理的CH₄日均通量分別介于0.30～1.12μg/（m2·h）、0.05～3.98μg/（m2·h）和-0.04～2.92μg/（m2·h），CF處理在10月17日出現(xiàn)了CH₄的吸收現(xiàn)象。

3個施肥處理的CH₄月均排放積累量與日均通量的季節(jié)變化模態(tài)相似，均呈現(xiàn)隨著水稻的增長，排放通量增大，并在8月達(dá)到排放通量的峰值（圖4）。6、7和10月COF、OF和CF 3個處理的CH₄排放通量相近，處理間無顯著差異，而8、9月COF處理的CH₄排放通量遠(yuǎn)高于其他2個處理。3種施肥處理全生長季CH₄排放通量均值由大到小依次為COF（19.07mg/m²）、OF（10.93 mg/m²）、CF（9.73 mg/m²），COF、OF比CF處理的CH₄排放通量增加了96.0%和12.3%。

2.3各施肥處理下的N₂O排放通量

由圖5可知，N₂O日均通量的季節(jié)變化模式與CO₂和CH₄明顯不同，且全生長季3種施肥處理的表現(xiàn)各異。苗期（6月10-25日）各處理N₂O排放通量略有增加，呈正排放。水稻拔節(jié)至成熟期的淹水階段（7月25日至9月13日），3種施肥處理的N₂O均表現(xiàn)出負(fù)排放特征，尤其以O(shè)F處理最為明顯，該處理在水稻蠟熟期（8月29日）達(dá)到最大負(fù)排放，日通量為-25.84μg/（m²·h）。在9月末至11月初期間，稻田進(jìn)入休閑期后，3種處理土壤N20排放明顯增加，COF、OF和CF的最大N₂O日通量分別達(dá)到22.38、33.78、14.00μg/（m²·h），比淹水期最低值高5-10倍。

3種施肥處理N₂O月排放通量季節(jié)變化如圖6所示。整個生長季各處理N₂O月排放通量呈現(xiàn)單峰曲線模式。6月各處理均表現(xiàn)凈排放，6月之后，各處理N₂O排放通量變化表現(xiàn)各異，各處理均表現(xiàn)出凈吸收，其中，OF、COF 2種處理最大凈吸收值出現(xiàn)于8月，其中OF處理的N₂O月積累量為-9.12μg/（m²·h），COF處理的為-7.47μg/（m²·h）；CF處理在7月達(dá)到最大吸收，其N₂O月積累量為-1.65μg/（m₂·h）。3種處理的凈N₂O排放最大值均出現(xiàn)在10月。整個生長季各處理N₂O排放通量均值表現(xiàn)為CF（2.62 mg/m²）>COF（0.03 mg/m²）>OF（0.20mg/m²），CF處理N₂O排放通量顯著高于其他2種施肥處理（P<0.05）。

2.4植株與土壤溫度對溫室氣體排放的影響

從表2可知，靜態(tài)暗箱中稻株的存在明顯增加了CO₂和CH₄的排放。其中，生長季各月稻株對CO₂月均通量的貢獻(xiàn)率介于27.2%-226.1%，以抽穗灌漿期（8月）貢獻(xiàn)率最大，收獲期（9月）最低。以各次測定時的箱體內(nèi)水稻平均株數(shù)（x，株）與CO₂平均通量[y，mg/（m²·h）]做回歸分析得到二者的最優(yōu)回歸方程為：y=0.016 3e（n=15，P=0.001，R²=0.581）：而稻株對CH₄的貢獻(xiàn)率介于50.2%-418.9%，以植株在分蘗拔節(jié)期對CH₄排放影響最大，且箱體內(nèi)稻株（x，株）與CH₄平均通量[y，ug/（m²·h）]的最優(yōu)回歸方程為：y=0.226 0e（n=15，P=0.007，R²=0.445）。稻株對N₂O排放的作用與對上述2種氣體的作用相反，稻株的存在明顯促進(jìn)了N₂O的吸收，其中以8月最為突出（表3）。

以各次采樣測定的土壤溫度（T0，T5和T10）和土壤銨態(tài)氨、硝態(tài)氮含量與3種溫室氣體日均通量進(jìn)行多元相關(guān)分析，結(jié)果表明，CH4通量[y，ug/（m₂·h）]與土壤5 cm地溫之間呈顯著的指數(shù)相關(guān)，其回歸方程為：y=0.016 3e（n=30，P=0.000，R²=0.562）。其他因子與CO₂和N₂O日均通量相關(guān)性未達(dá)顯著水平。

3.討論

施肥管理可對農(nóng)田溫室氣體的排放產(chǎn)生明顯的影響。趙崢等研究表明，施肥管理能顯著增加稻田生態(tài)系統(tǒng)CO₂的排放，不同類型的肥料處理稻田生長季均出現(xiàn)兩次CO₂排放高峰。本次研究中，化肥與有機(jī)肥配施處理比其他2種施肥處理明顯增加了稻田生態(tài)系統(tǒng)的CO₂排放量，且3種施肥類型CO₂的排放通量季節(jié)動態(tài)也表現(xiàn)出相似的2次排放高峰模式，但峰值出現(xiàn)的時期與上述研究結(jié)果有所不同。分析認(rèn)為，化肥與有機(jī)肥配施與單施有機(jī)肥或單施化肥相比對CO₂的排放有促進(jìn)作用，這種作用與其對土壤微生物活性和稻株生長活力的影響有關(guān)，化肥與有機(jī)肥配施在增加了土壤碳源的同時，也促進(jìn)了土壤有效氮素的增加，合適的土壤碳氮比既保證了土壤微生物活性，也促進(jìn)了水稻植株的旺盛生長，由此增強(qiáng)了土壤和植株群體呼吸作用，促進(jìn)了稻田CO₂的排放。需指出的是，本試驗(yàn)所用的是暗箱采樣測定方法，因暗箱遮光，采樣期間植株光合作用停止，所獲得的CO₂通量代表的是采樣期間的水稻群體和土壤呼吸的總強(qiáng)度，而非稻田生態(tài)系統(tǒng)CO₂凈通量，這與侯玉蘭等和宋濤等采用明箱或渦度相關(guān)技術(shù)測定的稻田生態(tài)系統(tǒng)CO₂凈通量結(jié)論有明顯的區(qū)別。此外，稻田CO₂排放高峰出現(xiàn)時期受稻田植株與土壤水分條件綜合決定，本研究中的稻田在6～8月始終處于淹水狀態(tài)，自收獲前期的9月10日前后開始自然斷水。第一次CO₂排放高峰與水稻抽穗開花期對應(yīng)，而第二次排放高峰與水稻成熟、稻田曬田期相對應(yīng)，可見水稻植株群體生長與呼吸決定了第一次CO₂排放高峰，而土壤呼吸決定了第二次CO₂排放高峰的產(chǎn)生，這也是本研究結(jié)果與許多在稻田生長季存在烤田或間歇灌溉的相關(guān)研究結(jié)果不同的主要原因。

一般認(rèn)為，有機(jī)肥的施用可降低土壤氧化還原電位，同時為產(chǎn)甲烷菌提供豐富的產(chǎn)CH₄基質(zhì)，使產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生更多的CH₄，從而增加其排放量，而純化肥對稻田CH₄排放量影響相對較小。王明星等研究發(fā)現(xiàn)，在維持氮、磷、鉀含量基本不變時，施較多的有機(jī)肥是CH₄排放率高的重要原因，而施化肥則能降低CH₄排放?；羯徑艿戎赋?，施用稻草和雞糞可顯著增加CH₄排放量，而施用豬糞和化肥的處理CH₄累積排放量間沒有顯著差異。本研究中3種施肥類型對CH₄排放效果與王明星等結(jié)果一致，但與霍蓮杰等的結(jié)論存在一定差異。有機(jī)肥與化肥配施處理生長季CH₄月排放量均值為19.07 mg/m²，遠(yuǎn)大于單施有機(jī)肥（10.93 mg/m²）與單施化肥（9，73 mg/m²）的處理，說明北方一熟連作條件下，有機(jī)肥與化肥長期配施處理比單施有機(jī)肥對CH₄的排放起到更為明顯的促進(jìn)作用，這與該種施肥方法在滿足產(chǎn)甲烷菌活性的同時，促進(jìn)稻株的旺盛生長有關(guān)。本研究中6～8月期間有植株采氣箱比無植株測定的CH₄和CO₂月均通量分別增加了146.6%～418.9%和42.9%-226.1%，且稻株的存在與CH₄和CO₂月均通量呈極顯著的指數(shù)相關(guān)，表明稻株明顯促進(jìn)了稻田CH₄和CO₂的排放。王重陽等指出水稻植株導(dǎo)致稻田CH₄和CO₂排放量分別增加了109%、244%，其他研究也得出與本研究結(jié)果相似的結(jié)論。

已有研究表明，影響N₂O季節(jié)變化的主導(dǎo)因素是施肥和土壤水分狀況。本研究從分蘗期到成熟期，稻田土壤一直處于淹水狀態(tài)，3種施肥稻田均出現(xiàn)了N₂O的凈吸收，表現(xiàn)為N₂O的匯。這種情況的出現(xiàn)可能原因有：一是土壤長時間處于厭氧狀態(tài)，抑制了硝化反應(yīng)，使NO基質(zhì)得不到補(bǔ)充，從而影響硝化一反硝化耦合作用的進(jìn)行，使反硝化作用速率最終很低。二是厭氧強(qiáng)還原環(huán)境促進(jìn)形成反硝化的最終產(chǎn)物N₂，不利于形成中間產(chǎn)物N₂O，甚至空氣中進(jìn)入土壤的N₂O也被還原為N₂，導(dǎo)致N₂O凈吸收。在秋季曬田期出現(xiàn)了N₂O凈排放，并且以單施化肥處理的N₂O排放通量最高，說明化肥中氮素的增加為土壤微生物的硝化和反硝化作用提供了充足的氮源，由此導(dǎo)致土壤中產(chǎn)生更多的N₂O，這也為北方稻田的N₂O減排措施提供了一條可行的方法。

4.結(jié)論

1）北方生長季稻田溫室氣體的排放存在明顯的季節(jié)性特征，CO₂排放主要集中于8～10月3個月，而CH₄排放以7、8月為主，N₂O凈排放發(fā)生于6月和10月，生育盛期則表現(xiàn)出明顯的N₂O負(fù)排放特征。

2）不同肥料的施用對水田土壤3種溫室氣體排放的影響表現(xiàn)不同，有機(jī)肥與化肥配施促進(jìn)了水稻生育盛期CO₂和CH₄的排放，導(dǎo)致生長季CO₂和CH₄排放總量顯著高于單施化肥和單施有機(jī)肥處理，而單施有機(jī)肥或有機(jī)肥與化肥配施促進(jìn)了生育盛期N₂O的吸收，單施化肥處理促進(jìn)生長季N₂O凈排放。

3）水稻植株促進(jìn)了水稻生育期稻田CO₂和CH₄的排放，但對N₂O的排放具有明顯抑制作用。

4）生長季土壤溫度對稻田CH₄排放具有顯著影響，但對CO₂和N₂O排放無明顯影響。