江漢平原不同土地利用方式下稻季甲烷的排放

龔世飛，劉章勇，程 琳，陳 阜，金 濤

（1.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

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江漢平原不同土地利用方式下稻季甲烷的排放

龔世飛1，劉章勇1，程 琳1，陳 阜2，金 濤1

（1.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

摘 要采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，于2013年和2014年分別設(shè)計(jì)了旱田、水田、旱改水3種土地利用方式下稻季田間甲烷（CH4）排放監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，溫度和水分是不同土地利用方式下稻季CH4排放差異的主要影響因素，土壤硝態(tài)氮含量和pH對(duì)CH4排放具有重要影響。不同土地利用方式下，CH4排放差異主要集中于作物生長(zhǎng)前期，水稻移栽至有效分蘗臨界葉齡期 CH4累積排放量占全生育期排放總量的46%～90.5%。2013年和2014年水稻生長(zhǎng)季不同土地利用方式下土壤排放的CH4總量均表現(xiàn)為水田＞旱改水＞旱田，分別依次為120.7、13.1、1.56 kg/mm2和156、22、17 kg/hm2。研究表明，水田利用方式下稻季CH4的平均排放速率和季節(jié)排放總量均顯著高于旱田和旱改水，旱田和旱改水利用方式下差異不顯著。

關(guān)鍵詞：土地利用方式；水稻；CH4；江漢平原

自20世紀(jì)以來(lái)，全球氣候變暖對(duì)人類(lèi)造成的負(fù)面影響日趨明顯，溫室效應(yīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。CH4是僅次于CO2的溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛能是CO2的21～23倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%［1］。農(nóng)田土壤是CH4的重要排放源［2］。據(jù)估計(jì)，由于農(nóng)事操作和土地利用方式轉(zhuǎn)變等一系列活動(dòng)引起的CH4排放，占人類(lèi)活動(dòng)排放總量的47%，稻季農(nóng)田CH4排放對(duì)年際凈增溫潛勢(shì)影響巨大［3］，灌溉稻田CH4排放約占全球人為總排放的12%～26%［4］。有研究證實(shí)，稻田是CH4的重要排放源而旱地則是潛在的碳匯［5］。前人對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放作了大量研究工作，研究指出，除氣候條件和土壤特性外，農(nóng)業(yè)管理措施也是影響稻田CH4排放的重要因素［6-8］。

江漢平原地區(qū)夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以水稻和棉花為主。近年來(lái)，由于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的宏觀調(diào)整，長(zhǎng)江中下游地區(qū)的棉花種植面積呈現(xiàn)減少的態(tài)勢(shì)，最新資料顯示，2014年湖北省植棉面積同比下降23%。將傳統(tǒng)植棉地改種效益更高的經(jīng)濟(jì)作物是一條增強(qiáng)農(nóng)戶(hù)積極性、保障農(nóng)民收入的可靠途徑。劉可群等［9］研究指出，近45年江漢平原的降雨量呈增加趨勢(shì)。該地區(qū)地勢(shì)較低且地下水位高的旱地常年發(fā)生澇漬災(zāi)害，將該地區(qū)旱地改為水田利用，既能發(fā)揮水資源充足的優(yōu)勢(shì)又能達(dá)到避災(zāi)減災(zāi)的目的。但夏季農(nóng)田利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中CH4排放特征的影響目前還不清楚。為此，本文通過(guò)田間試驗(yàn)研究江漢平原夏季旱地、水田和旱改水3種土地利用方式下CH4的排放特性，以期為我國(guó)農(nóng)田溫室氣體排放的精確估算及合理減排措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在湖北荊州（30°6′N(xiāo)，111°54′E）進(jìn)行。該地屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，常年平均氣溫約16.5℃，積溫6 228.4℃，高溫集中在7～9月；年均降雨量1 100～1 300 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 000 h，年太陽(yáng)輻射總量約460～480 J/cm2；4～10月份的降雨和太陽(yáng)輻射量分別占全年的80%和75%，無(wú)霜期250 d。該地為沖擊性母質(zhì)發(fā)育的水稻土，旱田、旱改水和水田土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為24.2、26.2、38.8 g/kg，pH分別為7.32、7.20和7.09。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013、2014年在長(zhǎng)江大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。設(shè)旱田、水田和旱改水，3種農(nóng)田利用方式，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積60 m2。土壤耕作前，將前茬作物油菜秸稈（自然留茬約10 cm）全量還田。旱地采取壟作方式種植經(jīng)濟(jì)效益更高的西瓜世紀(jì)甜王；水田和旱改水田均種植優(yōu)質(zhì)鄂審稻D優(yōu)33，5月10日播種，6月10 日移栽（移栽規(guī)格為行距26.5 cm、株距17 cm，每穴2株），9月25日收獲。田間管理措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)大田：氮肥（尿素）、磷肥（過(guò)磷酸鈣）、鉀肥（氯化鉀）用量分別為N 230 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 130 kg/ hm2；氮肥按基肥：分蘗肥∶拔節(jié)肥∶穗肥為4∶3∶2∶1施用，磷肥一次性基施，鉀肥作基肥和拔節(jié)肥每次施用50%。水稻生長(zhǎng)期間水分管理采用前期灌水、中期曬田、后期干濕交替的管理模式。

1.3 樣品采集與分析

分別于4～10月采用密閉式靜態(tài)暗箱—?dú)庀嗌V法測(cè)定田間CH4排放速率。氣體采樣箱由底座、頂蓋和中箱組成，采樣箱為鋁制圓柱狀，箱底直徑為46 cm，箱體高度隨水稻高度而增加（拔節(jié)前0.5 m、拔節(jié)后1 m），采樣箱外部包有海綿和鋁箔紙，防止太陽(yáng)照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過(guò)大。采樣箱底座上部有水槽，底座在試驗(yàn)前期插入土中約15 cm。觀測(cè)頻率為每周2次，烤田期每周3次，時(shí)間均為8：00～11：00。采集氣樣時(shí)，將采樣箱垂直安放在底座3 cm深的凹槽內(nèi)并加水密封，扣箱后立即用60 mL注射器采集樣品，然后分別在扣箱6、20 min采集樣品。為防止人為擾動(dòng)造成的誤差，在田間搭設(shè)棧橋通往各試驗(yàn)小區(qū)中央的箱體底座。氣體排放通量計(jì)算公式如下：

F= ρ×h×dc/dt×273/（273+T）

式中，F(xiàn)為氣體排放通量（mg/m2·h），ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度（kg/m3），h是采樣箱的凈高度（m），dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化量，273為氣態(tài)方程常數(shù)，T為采樣過(guò)程中密閉箱內(nèi)的平均溫度（oC）。

田間采集氣樣時(shí)，同步記錄地表溫度及土溫（5、10 cm），并采集樣點(diǎn)5～15 cm深土壤進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)（含水量、pH、土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量）的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和DPS 7.5軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用LSD法分析數(shù)據(jù)間的差異顯著性。CH4排放通量用平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示，季節(jié)平均排放通量是觀測(cè)值按時(shí)間間隔加權(quán)平均后再平均。

2　結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下夏季田間CH4排放特征

不同土地利用方式下作物生長(zhǎng)期間CH4排放通量均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化（圖1）。2013、2014年各處理在水稻生長(zhǎng)季CH4排放通量分別為-0.556～22.67 mg/m2·h、-0.07～18.6 mg/m2·h。旱改水土壤在作物全生育期內(nèi)始終維持低水平的CH4排放速率，無(wú)明顯排放峰值。旱田土壤維持微弱的CH4排放，甚至表現(xiàn)出CH4的匯，但在2014年作物生長(zhǎng)初期形成明顯的排放峰，其最大排放通量為7.88 mg/m2·h，主要是由于2014年6月初的強(qiáng)降水所致。水田土壤CH4排放通量明顯高于其他處理，且其排放峰均集中于作物生長(zhǎng)前期。兩年試驗(yàn)結(jié)果均表明，水田在水稻移栽后25 d左右出現(xiàn)最大排放峰，2013、2014年的最大排放通量分別為22.67、18.6 mg/m2·h。在水稻生長(zhǎng)中期采用烤田措施后，CH4排放通量急劇下降，即使烤田后再?gòu)?fù)水，其CH4排放通量有所增加，但依然維持較低水平直至作物收獲。不同土地利用方式下夏季作物生長(zhǎng)季CH4平均排放通量的大小順序表現(xiàn)為水田＞旱改水＞旱田，2013、2014年的平均排放通量分別為19.3、2.5、0.23 mg/m2·h和8.9、0.66、0.58 mg/m2·h。

2.2 不同土地利用方式對(duì)夏季農(nóng)田CH4累積排放量的影響

為進(jìn)一步比較分析不同土地利用方式下CH4排放差異的來(lái)源，明確土地利用方式對(duì)農(nóng)田CH4排放的影響，將CH4季節(jié)排放按照水稻全生育期（本田生長(zhǎng)期）劃分為3個(gè)階段（圖2）：移栽至有效分蘗臨界葉齡期、有效分蘗臨界葉齡期至抽穗期、抽穗期至成熟期。結(jié)果顯示，作物生長(zhǎng)季各階段CH4的累積排放量均以水田利用方式最大，旱田土壤排放量最小。2013和2014年移栽至有效分蘗臨界葉齡期間水田土壤CH4的累積排放分別為73.07、134.7 kg/hm2，顯著高于其他土地利用方式下的累積排放；該階段旱田和旱改水的CH4累積排放量分別為0.86、15.39、6.01、13.89 kg/hm2。此外，隨著作物生育時(shí)期的推進(jìn)，田間CH4累積排放量均呈遞減趨勢(shì)，旱田、旱改水和水田3種土地利用方式下作物生育前期CH4的累積排放量占作物全生育期內(nèi)排放總量的46%～90.5%（圖2）。

圖1　不同土地利用方式下2013年（A）和2014年（B）稻季CH4排放通量的季節(jié)變化

圖2　不同土地利用方式下2013年（A）和2014年（B）水稻不同生育階段CH4的累積排放量

2013、2014年水田、旱改水和旱地CH4的排放總量依次為120.7、13.1、1.6 kg/hm2和156.0、22.0、17.0 kg/hm2。不同土地利用方式下稻季CH4累積排放存在顯著差異，其中水田土壤的CH4排放總量顯著高于其他處理，而旱改水和旱田的CH4累積排放量差異不明顯。

2.3 影響農(nóng)田溫室氣體排放主要指標(biāo)的因子分析

3種不同土地利用方式下農(nóng)田溫室氣體排放的因子分析的特征向量、特征值和方差累積貢獻(xiàn)率見(jiàn)表1。依據(jù)方差累積貢獻(xiàn)率≥85%的要求，選取土壤pH、土壤銨態(tài)氮含量、土壤硝態(tài)氮含量、5 cm土溫、10 cm土溫、地表溫度、土壤含水量等7個(gè)與溫室氣體排放通量關(guān)系密切的指標(biāo)進(jìn)行因子分析，取前m個(gè)因子作為因子變量。由表1可知，前4個(gè)影響CH4排放主因子代替原來(lái)7個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到90.667%，因此取前4個(gè)主因子做因子載荷分析。

對(duì)表2分析得出，在影響CH4排放的7個(gè)因子中，在第一主因子上載荷較大的主效因子是5 cm土溫。5 cm土溫與10 cm土溫和地表溫度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.99和0.76，因此，5 cm土溫可以相對(duì)全面的體現(xiàn)出溫度對(duì)CH4排放的影響。土壤含水量對(duì)第二主因子貢獻(xiàn)較大，可以在一定程度上表征出土壤氣相通透性與氧化還原環(huán)境對(duì)CH4排放的影響。對(duì)于第三主因子，土壤中硝態(tài)氮含量貢獻(xiàn)突出，反映土壤氧化能力、有機(jī)質(zhì)含量與CH4生成的關(guān)系。土壤pH是影響CH4產(chǎn)生菌生存的重要環(huán)境要素，與CH4的產(chǎn)生密切相關(guān)，在第四主因子上有較大載荷。

表1　單位特征向量、 特征值和方差累計(jì)貢獻(xiàn)率

表2　因子載荷陣方差最大旋轉(zhuǎn)結(jié)果

3　結(jié)論與討論

水田和旱改水的CH4排放主要集中在水稻生長(zhǎng)前期，中后期排放速率逐漸降低直至水稻收獲；而旱地CH4排放無(wú)明顯季節(jié)性變化特征。研究表明，農(nóng)田土壤 CH4排放與田間水分管理和施肥等耕作管理措施有關(guān)［10-11］。前茬油菜秸稈原位還田提高了土壤中活性有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)了微生物的活性［12-13］，可能是造成水稻生長(zhǎng)季節(jié)CH4排放呈先升高后降低趨勢(shì)的主要原因。旱田由于具有較好的通氣條件，利于土壤CH4氧化菌的活性，在作物生長(zhǎng)后期表現(xiàn)為CH4的微排放或匯。

不同農(nóng)田利用方式對(duì)CH4的季節(jié)排放通量和排放總量均有顯著影響。其中以水田排放總量最高，顯著大于其他土地利用方式，而旱田和旱改水的CH4季節(jié)排放和排放總量之間差異均不顯著。秦曉波等［14］、Yamulki等［15］的研究結(jié)論也證實(shí)，田間淹水深度與稻田CH4排放通量呈顯著正相關(guān)。水田土壤中有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于旱田和旱改水土壤，且持續(xù)維持厭氧環(huán)境，是導(dǎo)致其CH4排放速率更高的重要原因。旱地改做水田利用后，其CH4排放通量略有增加，但差異并不顯著，可能是由于短時(shí)間尺度下土壤剖面結(jié)構(gòu)變異較小，尚未形成具有類(lèi)似水田犁底層結(jié)構(gòu)和功能的土壤層，相對(duì)水田其保水性較差，土壤通透性較好；同時(shí)，利于土壤產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生和活動(dòng)的環(huán)境尚不完善也可能是造成旱田和旱改水間差異不明顯的重要原因。

江漢平原地區(qū)夏季農(nóng)田CH4產(chǎn)生和排放的主要影響因素為溫度和土壤含水量。作為微生物活動(dòng)的敏感性影響因子，溫度變化對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和產(chǎn)甲烷菌的活性具有直接影響。土壤水分含量是CH4氧化菌和生成菌活動(dòng)強(qiáng)度的重要影響因素，厭氧環(huán)境是CH4產(chǎn)生的前提條件，稻田土壤水分含量是能解釋當(dāng)時(shí)CH4氧化變化的重要參數(shù)［16］。土壤硝態(tài)氮的含量一定程度上反映土壤氧化還原強(qiáng)度對(duì)CH4釋放的作用。而土壤pH的變化可直接影響土壤微生物的生存能力，從而間接作用于CH4的產(chǎn)生和排放速率。綜上，與旱地相比，旱改水在短期內(nèi)并不增加CH4排放，其長(zhǎng)時(shí)間尺度下向傳統(tǒng)水田過(guò)渡、轉(zhuǎn)變的機(jī)制有待更深入的探討。

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（責(zé)任編輯白雪娜）

Methane emission under different land use patterns during rice growth season in Jianghan Plain

GONG Shi-fei1，LIU Zhang-yong1，CHENG Lin1，CHEN Fu2，JIN Tao1（1.College of Agriculture，Yangtze University，Jingzhou 434025，China；2.College of Agriculture and Biotechnology，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Abstract：A field experiment was conducted to measure CH4emission by static chamber/gas chromatographic technique in three land use patterns，including upland（T1），paddy field（T2）and conversion of upland to paddy field（T3）during 2013 and 2014.The results showed that the key factors on CH4emission under different land use patterns during rice growth season were temperature and soil moisture；the soil nitrate content and pH also contributed a lot for the CH4emission.The peak CH4flux and emission differences of three land use patterns were observed during the early stage of rice growth.CH4cumulative emission from transplanting to the critical stage of productive tillering accounted for 46%-90.59% of the total emission during the rice growth season.The total CH4emission during rice growth under different land use patterns in 2013 and 2014 were similarly in sequence of T2＞T3＞T1，with respective means of 120.7，13.1，1.56 kg/hm2and 156，22，17 kg/hm2.The results indicated that the average flux rate and total emission of CH4under T2 during rice growth season were significantly higher than those under T1 and T3，while there was no significant difference between T3 and T1.

Key words：land use pattern；rice；CH4；Jianghan Plain

中圖分類(lèi)號(hào)：S181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-874X（2016）01-0084-05

收稿日期：2015-09-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201203032）；國(guó)家自然科學(xué)基金（32170488）

作者簡(jiǎn)介：龔世飛（1990-），男，在讀碩士生，E-mail：gongsfsf@163.com

通訊作者：金濤（1979-），男，博士，講師，E-mail：jintao19790512@hotmail.com