UV-B增強(qiáng)下施硅對稻田CH4和N2O排放及其增溫潛勢的影響

肇思迪,婁運(yùn)生,張祎瑋,朱懷衛(wèi),石一凡

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210044

UV-B增強(qiáng)下施硅對稻田CH4和N2O排放及其增溫潛勢的影響

肇思迪,婁運(yùn)生*,張祎瑋,朱懷衛(wèi),石一凡

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210044

大氣平流層臭氧損耗導(dǎo)致的地表紫外輻射增強(qiáng)作為全球變化重要問題之一,受到廣泛關(guān)注。硅是水稻生長有益元素,但施硅是否影響稻田CH4和N2O排放,迄今相關(guān)報(bào)道尚不多見。通過大田試驗(yàn),研究UV-B增強(qiáng)下施硅對水稻生長、稻田甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)排放及其增溫潛勢的影響。UV-B輻照設(shè)2水平,即對照(A,自然光)和增強(qiáng)20%(E)；施硅量設(shè)2水平,即對照(Si0,0 kg SiO2/hm2)和施硅(Si1,200 kg SiO2/hm2)。結(jié)果表明,UV-B增強(qiáng)降低了成熟期水稻地上部和地下部生物量,而施硅能緩解UV-B增強(qiáng)對水稻生長的抑制作用,使水稻地上部和地下部生物量增加。UV-B增強(qiáng)可顯著提高稻田CH4和N2O排放通量和累積排放量,增加稻田CH4和N2O排放的綜合增溫潛勢。施硅能明顯降低稻田CH4排放,促進(jìn)N2O排放,降低稻田CH4和N2O排放的綜合增溫潛勢。研究表明,施硅顯著降低稻田CH4和N2O的全球增溫潛勢,緩解UV-B增強(qiáng)對稻田CH4和N2O的全球增溫潛勢的促進(jìn)作用。

UV-B輻射；施硅；水稻；甲烷；氧化亞氮

紫外輻射增強(qiáng)和全球變暖是當(dāng)今兩大重要的全球環(huán)境問題。近年來,由于氟氯烷烴和氮氧化物的大量排放,大氣平流層臭氧不斷損耗變薄,導(dǎo)致到達(dá)地表的UV-B輻射增強(qiáng)[1]。全球變暖源于溫室氣體的大量排放,而CH4和N2O是兩種重要的溫室氣體。以百年尺度計(jì),CH4和N2O的全球增溫潛勢(global warming potential,GWP)分別是CO2的21倍和310倍[2]。據(jù)報(bào)道,2005年全球的CH4和N2O農(nóng)業(yè)排放總量比1990年增加了17%[3]。因此,稻田作為CH4和N2O的重要排放源已受到國內(nèi)外普遍關(guān)注[4- 6]。

近年來,關(guān)于UV-B輻射增強(qiáng)對農(nóng)田溫室氣體排放的研究主要集中在CH4或N2O單一溫室氣體,UV-B增強(qiáng)可顯著增加水稻CH4排放[7],降低大豆和冬小麥的N2O排放[8-9],但UV-B輻射增強(qiáng)對CH4和N2O綜合排放及其增溫潛勢的影響研究較少。硅是水稻生長的有益營養(yǎng)元素,施硅可促進(jìn)水稻植株地上部和根系生長,提高水稻對病蟲害、重金屬和UV-B輻射等生物和非生物脅迫的抵抗能力[10]。水稻生長狀況對稻田CH4和N2O排放有一定影響。但是,迄今有關(guān)UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對稻田CH4和N2O綜合排放影響的研究尚不多見。本研究通過田間試驗(yàn)?zāi)MUV-B輻射增強(qiáng),研究UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對稻田CH4和N2O排放及其增溫潛勢的影響,為進(jìn)一步研發(fā)減緩稻田溫室氣體排放的新措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2015年5月至11月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.16°N,118.86°E)進(jìn)行。該站地處北亞熱帶濕潤氣候區(qū),年均降水量1000—1100 mm,年均氣溫15.6℃。供試水稻為南粳46。供試硅肥為硅酸鈉。供試土壤為潴育型水稻土,土壤質(zhì)地為壤質(zhì)粘土。供試土壤基本理化性質(zhì)為,全碳、全氮的含量分別為19.4 g/kg和1.45 g/kg；粘粒含量為261 g/kg；pH為6.2 (1∶1土水比)。本試驗(yàn)設(shè)UV-B輻照和施硅量兩個(gè)因素,UV-B 輻照設(shè)2水平,即對照(A,自然光)和增強(qiáng)20%(E)。采用可升降燈架,UV-B燈管(光譜為280—320 nm)置于水稻冠層上方,用于模擬 UV-B輻射增強(qiáng)。施硅量設(shè)2水平,即對照(Si0,0 kg SiO2/hm2)和施硅(Si1,200 kg SiO2/hm2)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理,即(1)UV-B增強(qiáng)+施硅(E+Si1),(2)UV-B增強(qiáng)+不施硅(E+Si0),(3)自然光+施硅(A+Si1),(4)自然光+不施硅(A+Si0)。重復(fù)3次,隨機(jī)排列,共12個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為2 m×2 m=4 m2。

水稻于2015年5月10日育苗,6月13日移栽,株行距為16 cm×23 cm。移栽前1天施肥,每小區(qū)施用復(fù)合肥料(15- 15- 15)315 g,相當(dāng)于氮磷鉀(N-P2O5-K2O)施用量均為200 kg/hm2,施硅處理的每小區(qū)(Si1)施硅酸鈉183 g,相當(dāng)于施硅量為200 kg/hm2。在每小區(qū)內(nèi)挖4條施肥溝(深20 cm),根據(jù)施肥處理要求將肥料均勻撒入施肥溝中,覆土掩埋。幼苗移栽前將靜態(tài)采樣箱底座置于土內(nèi),每底座內(nèi)移入長勢一致的幼苗1叢(2株)。從水稻分蘗期(移栽25 d后)開始進(jìn)行UV-B輻照處理,光源與水稻冠層之間距離始終保持約0.8 m,每天輻照時(shí)間為8:00—16:00,共計(jì)8 h,陰雨天停止照射,直至水稻成熟。在2015年8月15日至9月1日進(jìn)行排水曬田,大田常規(guī)管理,病蟲害防治依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。水稻生長期水層厚度保持約5 cm,根據(jù)水層變化及降雨情況進(jìn)行合理灌溉。

1.2 氣體采集與分析

采用靜態(tài)箱法從田間采集CH4和N2O氣樣。自水稻分蘗期至成熟期,每周采樣一次,采樣時(shí)間為8:00—11:00,同時(shí)記錄箱內(nèi)溫度。采樣時(shí)將PVC靜態(tài)箱底部置于事先固定于土壤的底座上,蓋箱后通過淹水層密封保證箱體氣密性。抽氣前接通采樣箱頂內(nèi)置小風(fēng)扇電源20 s,使采樣箱內(nèi)氣體混合均勻,分別于0、15、30 min用帶有三通閥的注射器抽取氣樣,將所采氣樣注入事先抽成真空的采樣瓶(50 mL)中,用氣相色譜儀檢測氣樣中CH4和N2O的濃度。

CH4和N2O排放通量計(jì)算公式[11]：

水稻各生育期CH4和N2O累積排放量計(jì)算公式：

T=∑[(Fi+1+Fi)/2]·(Di+1-Di)·24

式中,T為氣體累積排放總量(mg/m2)；Fi和Fi+1分別為第i次和i+1次采樣時(shí)氣體平均排放通量(mg m-2h-1)；Di和Di+1分別是第i次和i+1次采樣時(shí)的采樣時(shí)間(d)。

1.3 生物量測定

在水稻成熟期進(jìn)行采樣,每小區(qū)隨機(jī)選取有代表性的3株植株,采集地上部,同時(shí)將根系從土壤中挖出(注意根的完整性)并用自來水洗凈。置入105℃烘箱內(nèi)殺青20 min,隨后在70℃下烘干至恒重。

1.4 全球增溫潛勢估算

全球增溫潛勢(global warming potential,GWP)是用來評價(jià)各種溫室氣體對氣候變化影響相對能力的一個(gè)參數(shù)。以百年尺度計(jì),CH4和N2O氣體的GWP分別是CO2的21倍和310倍[2]。因此,稻田CH4和N2O排放的全球增溫潛勢計(jì)算方法,是將全生育期的CH4和N2O累積排放量分別乘以21和310,即為CH4和N2O累積排放量的CO2當(dāng)量。稻田CH4和N2O排放的綜合增溫潛勢是將CH4和N2O累積排放量的CO2當(dāng)量相加得到。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進(jìn)行處理與繪圖,用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。各處理平均數(shù)采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行多重比較,得到處理間差異顯著性。表中同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),相同字母表示處理間差異未達(dá)到顯著水平。圖中*表示達(dá)到0.05的顯著水平,未標(biāo)明的表示未達(dá)到0.05顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對水稻單株生物量的影響

表1表明,無論施硅與否,UV-B輻射增強(qiáng)降低了水稻地上部與地下部干物質(zhì)積累。施硅條件下,UV-B輻射增強(qiáng)使地上部和地下部干重分別減少了1.47%和34.49%,總干物量減少了11.12%。不施硅條件下,UV-B輻射增強(qiáng)使地上部和地下部干重分別減少了13.12%和53.31%,總干物量減少了25.85%。無論施硅與否,UV-B輻射增強(qiáng)下水稻地下部干重降幅均大于自然光條件下水稻地下部干重降幅,說明UV-B輻射增強(qiáng)對水稻根系影響更強(qiáng)烈。UV-B增強(qiáng)條件下,施硅處理水稻地上部和地下部干重比不施硅處理分別增加61.30%和43.74%,總干物量增加了55.74%。自然光條件下,施硅處理水稻地上部和地下部干重比不施硅處理分別增加44.69%和26.11%,總干物量增加了37.52%?？梢?UV-B輻射增強(qiáng)明顯降低水稻地上部與地下部干物質(zhì)積累,而施硅明顯促進(jìn)水稻地上部與地下部干物質(zhì)積累,有利于緩解UV-B輻射增強(qiáng)對水稻干物質(zhì)積累的不利影響。

表1 UV-B增強(qiáng)下施硅對水稻地上部和地下部干物質(zhì)量的影響

A: 自然光Ambient UV-B; E:UV-B增強(qiáng) Enhanced UV-B; Si0: 對照 Control; Si1: 施硅Silicate supply; 同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對CH4排放通量的影響

由圖1看出,不同處理下水稻CH4排放的季節(jié)性變化趨勢基本一致,均呈單峰型變化。在分蘗前期,CH4排放通量較低,隨后逐漸升高,在移栽后第55天(分蘗期)達(dá)到峰值,之后急劇降低,到移栽76d(拔節(jié)孕穗期)后維持較低水平直到水稻成熟。在分蘗前期,稻田土壤雖已淹水但可能因閉蓄氧存在,土壤尚未形成厭氧環(huán)境,水稻苗期植株生物量較低,CH4排放也較低。隨淹水時(shí)間的延長,極端厭氧環(huán)境形成,水稻分蘗加快,根系分泌物增加,促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌活動(dòng),CH4排放隨之升高,在移栽后第55天達(dá)到峰值。在移栽后第58天開始曬田,水層落干改善了土壤供氧狀況,CH4排放通量急劇下降,這與甲烷產(chǎn)生需要極端厭氧條件相一致[12]。自水稻移栽后76d至成熟,CH4排放通量一直處于較低水平,原因可能在于,一是曬田改善了土壤通氣性,提高了土壤氧化還原電位,覆水后閉蓄氧的存在抑制了CH4的產(chǎn)生；二是供試稻田質(zhì)地粘重,粘粒的物理保護(hù)減少了有機(jī)質(zhì)分解,粘質(zhì)土壤中氣體擴(kuò)散作用較弱不利于甲烷擴(kuò)散,此外,粘質(zhì)土壤的緩沖性強(qiáng),有助于維持較高的氧化還原電位[13]。

在整個(gè)生育期內(nèi),無論施硅與否,UV-B增強(qiáng)均使稻田CH4排放通量增加。水稻在移栽后的第27天至55天(分蘗期),施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻CH4排放通量高于對照467.41%、510.31%、183.95%、30.77%和36.55%。不施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻CH4排放通量高于對照279.86%、212.67%、200.33%、72.08%和64.41%。無論UV-B輻射增強(qiáng)與否,施硅均顯著降低稻田CH4排放通量。在分蘗期,施硅處理的水稻CH4排放通量均低于對照。自然光條件下,施硅處理水稻CH4排放通量低于對照75.33%、65.88%、39.82%、9.91%和14.47%。UV-B輻射增強(qiáng)條件下,施硅處理水稻CH4排放通量低于對照63.15%、33.41%、43.09%、31.53%和28.96%。上述結(jié)果說明,UV-B增強(qiáng)明顯增加稻田CH4排放,而施硅能明顯減輕UV-B增強(qiáng)對稻田CH4排放的促進(jìn)作用。

圖1 UV-B增強(qiáng)下施硅對稻田CH4排放通量季節(jié)性變化的影響Fig.1 Effect of silicate supply on seasonal variation of CH4 emission flux from paddy soil under enhanced UV-B radiationA: 自然光Ambient UV-B; E:UV-B增強(qiáng) Enhanced UV-B; Si0: 對照 Control; Si1: 施硅Silicate supply；*表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對CH4累積排放量的影響

表2表明,在水稻4個(gè)生育期中,分蘗期CH4累積排放量最高,占總排放量的80%左右,拔節(jié)孕穗期次之,占總排放量的18%左右,抽穗揚(yáng)花期和灌漿成熟期最少,僅各占總排放量的1%左右。施硅條件下,UV-B增強(qiáng)使稻田CH4累積排放量在分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗揚(yáng)花期和灌漿成熟期分別增加了44.86%、18.71%、10.11%和4.23%,全生育期CH4累積排放量增加了38.62%。不施硅條件下,UV-B增強(qiáng)使水稻CH4累積排放量在上述4個(gè)生育期分別增加了101.65%、63.12%、13.96%和3.94%,全生育期的CH4累積排放量提高了89.43%。無論UV-B增強(qiáng)與否,施硅能明顯降低稻田CH4累積排放量。自然光條件下,施硅處理的稻田CH4累積排放累積量在上述4個(gè)生育期分別低于對照10.68%、25.74%、37.74%和10.54%,在全生育期低于對照48.32%。UV-B輻射增強(qiáng)下,施硅處理的稻田CH4累積排放量在上述4個(gè)生育期分別低于對照35.83%、45.96%、39.84%和10.29%,在全生育期低于對照38.41%?？梢?UV-B增強(qiáng)可顯著促進(jìn)稻田CH4排放,在分蘗期和拔節(jié)孕穗期處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05),而施硅能顯著降低稻田CH4排放,除灌漿成熟期外各處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。上述結(jié)果說明,在整個(gè)生育期內(nèi),在UV-B增強(qiáng)條件下施硅對稻田CH4排放有明顯的抑制作用。

2.4 UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對N2O排放通量的影響

由圖2看出,不同處理下稻田N2O排放的季節(jié)性變化趨勢基本一致,均呈現(xiàn)多峰變化。在水稻分蘗期N2O排放通量較低,呈無規(guī)則變化,移栽后第55天(分蘗期)開始逐漸升高,第69天(拔節(jié)孕穗期)達(dá)第1個(gè)峰值,隨后降低,在移栽后第90天(拔節(jié)孕穗期)降至最低,之后在第97天(抽穗揚(yáng)花期)達(dá)到第2個(gè)峰值,隨后急劇降低,在移栽后第132天至139天(灌漿成熟期)N2O排放通量再次升高。在移栽后第58天開始曬田,水層落干改善了土壤通氣性,促進(jìn)了N2O的產(chǎn)生,N2O排放出現(xiàn)峰值。移栽后第73天曬田結(jié)束并灌溉覆水,N2O排放逐漸降低至最低值,在第97天(抽穗揚(yáng)花期)出現(xiàn)第2個(gè)峰值,原因在于此時(shí)處于陰雨季節(jié),氣溫下降適于硝化及反硝化微生物活動(dòng)有助于N2O產(chǎn)生排放。在生育后期,N2O排放通量開始升高,原因在于臨近收割時(shí)停止灌水,土壤表面干涸,破壞了淹水厭氧環(huán)境,從而導(dǎo)致了N2O排放通量再次升高[14]。

表2 UV-B增強(qiáng)下施硅對水稻不同生育期CH4累積排放量的影響

Table 2 Effects of silicate supply on CH4accumulated emission from paddy soil at different rice growth stages under enhanced UV-B radiation (mean±SE)

處理Treatment分蘗期Tilleringstage拔節(jié)孕穗期Jointing-bootingstage抽穗揚(yáng)花期Heading-floweringstage灌漿成熟期Grainfilling-maturitystage全生育期Wholegrowthperiod排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)E+Si12255．98±23．61b81．53424．31±9．33c15．3338．54±7．95b1．3948．16±4．72a1．742767．01±23．04bE+Si03516．04±37．52a79．57785．24±7．19a17．7764．08±8．57a1．4553．68±1．67a1．214419．06±37．40aA+Si11557．35±25．34d78．02357．46±11．61d17．9135．01±4．40b1．7546．20±2．99a2．321996．03±26．46dA+Si01743．58±33．02c74．74481．36±17．22b20．6356．23±8．05a2．4151．65±13．75a2．212332．83±51．20c

在整個(gè)生育期內(nèi),UV-B增強(qiáng)下水稻N2O排放通量增加。在移栽后第62天至83天(拔節(jié)孕穗期),施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻N2O排放通量高于對照30.89%、53.35%、109.04%和137.48%；不施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻N2O排放通量高于對照83.01%、0.91%、171.51%和89.03%。在水稻移栽后第97天(抽穗揚(yáng)花期),施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻N2O排放通量高于對照102.92%；不施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻N2O排放通量高于對照151.31%。在水稻移栽后第132天至139天(灌漿成熟期),施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻N2O排放通量高于對照165.79%、22.98%；不施硅條件下,UV-B增強(qiáng)處理的水稻N2O排放通量高于對照143.63%、93.99%。

施硅對稻田N2O排放通量的影響在各個(gè)生育期有所不同。在移栽后第62天至83天(拔節(jié)孕穗期),施硅使稻田N2O排放通量增加。自然光條件下,施硅處理的稻田N2O排放通量高于對照159.41%、11.15%、100.83%和59.17%；UV-B增強(qiáng)條件下,施硅處理的稻田N2O排放通量高于對照85.55%、68.92%、54.62%和99.97%。在移栽后第97天(抽穗揚(yáng)花期),施硅使稻田N2O排放通量降低。自然光條件下,施硅處理的稻田N2O排放通量低于對照19.45%；UV-B增強(qiáng)條件下,施硅處理的稻田N2O排放通量低于對照35.01%。在水稻移栽后第132天至139天(灌漿成熟期),施硅使稻田N2O排放通量增加。自然光條件下,施硅處理的稻田N2O排放通量高于對照30.78%、126.81%；UV-B增強(qiáng)條件下,施硅處理的稻田N2O排放通量高于對照42.68%、43.79%。上述結(jié)果說明,UV-B增強(qiáng)提高稻田N2O排放,而施硅在水稻拔節(jié)孕穗期和灌漿成熟期促進(jìn)稻田N2O排放,在抽穗揚(yáng)花期則降低稻田N2O排放。

圖2 UV-B增強(qiáng)下施硅對稻田N2O排放通量季節(jié)性變化的影響Fig.2 Effect of silicate supply on seasonal variation of N2O emission flux from paddy soil under enhanced UV-B radiation

2.5 UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對N2O累積排放量的影響

從表3來看,4個(gè)生育期中,拔節(jié)孕穗期N2O累積排放量最高,占總排放量的50%左右,抽穗揚(yáng)花期次之,占總排放量的24%左右,分蘗期占總排放量的15%左右,灌漿成熟期最少,僅占總排放量的11%左右。N2O累積排放量主要集中在拔節(jié)孕穗期,可能原因是這一時(shí)期進(jìn)行了曬田,土壤通氣性改善,促進(jìn)了稻田N2O產(chǎn)生和排放[14]。

在整個(gè)生育期內(nèi),無論施硅與否,UV-B增強(qiáng)顯著提高了稻田N2O的累積排放量。施硅條件下,與對照(自然光)相比,UV-B增強(qiáng)使水稻N2O累積排放量在不同生育期分別增加了44.86%、58.91%、44.09%和60.08%,全生育期N2O累積排放量增加了54.07%。不施硅條件下,與對照(自然光)相比,UV-B 增強(qiáng)使水稻N2O累積排放量在不同生育期分別增加了69.89%、41.62%、134.57%和84.46%,全生育期的N2O累積排放量提高了73.69%?？梢?UV-B增強(qiáng)促進(jìn)了稻田N2O排放。施硅對不同生育期稻田N2O累積排放量的影響存在差異。在自然光條件下,施硅處理的稻田N2O累積排放量在分蘗期低于對照2.15%,在拔節(jié)孕穗期、抽穗揚(yáng)花期和灌漿成熟期分別高于對照49.78%、9.11%、41.84%,在全生育期內(nèi)高于對照14.90%。UV-B增強(qiáng)下,施硅處理的稻田N2O累積排放量在分蘗期和抽穗揚(yáng)花期分別低于對照16.57%、32.97%,在拔節(jié)孕穗期和灌漿成熟期分別高于對照68.06%、23.09%,在全生育期內(nèi)高于對照29.53%。在各生育期內(nèi),施硅對稻田N2O影響是不同的,但在整個(gè)生育期內(nèi),施硅可促進(jìn)稻田N2O排放。

表3 UV-B增強(qiáng)下施硅對水稻不同生育期N2O累積排放量的影響

Table 3 Effects of silicate supply on N2O accumulated emission from paddy soil at different rice growth stages under enhanced UV-B radiation (mean±SE)

處理Treatment分蘗期Tilleringstage拔節(jié)孕穗期Jointing-bootingstage抽穗揚(yáng)花期Heading-floweringstage灌漿成熟期Grainfilling-maturitystage全生育期Wholegrowthperiod排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)占比Percent/%排放量Emission/(mg/m2)E+Si126．45±3．60ab13．16112．77±12．75a56．1138．17±4．90b18．9923．60±4．58a11．74200．99±6．13aE+Si031．70±2．63a18．1267．10±3．20b38．3656．95±5．52a32．5619．17±2．98ab10．96174．92±13．62bA+Si118．26±3．58b14．0070．96±6．76b54．4026．49±4．25c20．3114．74±6．54bc11．30130．45±19．79cA+Si018．66±9．46b18．5347．38±2．77c47．0424．28±0．24c24．1110．39±1．56c10．32100．71±9．19d

2.6 UV-B輻射增強(qiáng)下施硅對水稻全生育期溫室效應(yīng)的影響

以百年時(shí)間尺度計(jì)算,CH4和N2O氣體的全球增溫潛勢(GWPs)相當(dāng)于CO2的21倍和310倍[2]。表4表明,UV-B增強(qiáng)顯著增加稻田全球增溫潛勢,無論施硅與否,UV-B增強(qiáng)下全球增溫潛勢與對照相比增加51.92%—83.31%。施硅可顯著降低稻田全球增溫潛勢,無論UV-B增強(qiáng)與否,施硅與對照相比,GWPs減少1.19%—18.10%,處理間差異均達(dá)顯著水平?？梢?UV-B增強(qiáng)顯著提高CH4和N2O綜合排放的全球增溫趨勢,而施硅顯著降低UV-B增強(qiáng)對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

表4 UV-B增強(qiáng)下施硅對稻田CH4和N2O綜合增溫潛勢影響

GWPs: 全球增溫潛勢Global warming potentials

3 討論與結(jié)論

植株生物量反映外界環(huán)境因子對植株生長影響。本研究表明,UV-B輻射增強(qiáng)導(dǎo)致水稻地上部和地下部生物量降低,抑制水稻生長發(fā)育(表1)。原因在于UV-B輻射會(huì)損害光合系統(tǒng)Ⅱ,使其活性降低,抑制水稻光合作用,從而影響水稻生長發(fā)育。此外,UV-B輻射會(huì)抑制水稻內(nèi)源物質(zhì)的合成,不利于地上部和根系生長發(fā)育[15]。施硅使水稻地上部和地下部生物量增加,促進(jìn)水稻生長發(fā)育,減輕UV-B輻射增強(qiáng)的不利影響。一方面施硅有利于水稻形成“角質(zhì)雙硅層”,使水稻莖稈粗壯,葉片增厚,從形態(tài)上抵御UV-B輻射的傷害；另一方面施硅可調(diào)節(jié)水稻體內(nèi)的酚類代謝,促進(jìn)葉片酚類物質(zhì)的合成以吸收UV-B輻射,進(jìn)而增強(qiáng)其抵御UV-B輻射的能力[16]。因此,施硅可有效緩解UV-B輻射對水稻生長的抑制作用。

UV-B輻射增強(qiáng)增加水稻CH4排放通量及累積排放量,促進(jìn)稻田CH4排放(圖1,表2),這與前人的研究結(jié)果一致[7,17]。也有研究表明,UV-B輻射增強(qiáng)對稻田CH4排放無顯著影響[18],原因可能是稻田CH4排放受土壤理化性質(zhì)、水肥管理措施、耕作措施等因素影響[19- 21],因此,試驗(yàn)條件的差異性可能帶來不同的試驗(yàn)結(jié)果,需要進(jìn)一步研究。施硅明顯減弱UV-B輻射增強(qiáng)對稻田CH4排放的促進(jìn)作用,降低稻田CH4排放通量及累積排放量,這與孟艷等人的研究結(jié)果一致[22]。施硅促進(jìn)了水稻植株地上部和根系生長(表1),改善通氣組織和根系氧化能力,增加根際氧氣供應(yīng)量,抑制產(chǎn)甲烷菌活性,從而減少CH4排放[23]。本試驗(yàn)所施硅肥為硅酸鈉,施入酸性土壤短期內(nèi)會(huì)使pH升高,而后趨于中性,大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌活性以中性和偏堿性環(huán)境較佳[24-25],pH升高可能促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌活性。因此,施硅引起的稻田土壤pH升高是否影響甲烷產(chǎn)生還需進(jìn)一步研究。

UV-B輻射增強(qiáng)顯著提高稻田N2O排放通量及累積排放量(圖2,表3)。水稻N2O排放主要來源于土壤硝化-反硝化微生物過程[26],UV-B輻射增強(qiáng)顯著增加了水稻根際土壤有效氮和土壤微生物碳、氮的量,提高碳氮比[27],為硝化-反硝化反應(yīng)提供底物和能量,從而促進(jìn)水稻N2O排放。有研究表明,在拔節(jié)至抽穗期,UV-B輻射增強(qiáng)對冬小麥N2O排放通量沒有顯著影響[28]。UV-B輻射增強(qiáng)顯著降低了大豆的生物量,影響植株的氮代謝,最終導(dǎo)致農(nóng)田N2O排放量降低[9]。也有研究表明,UV-B輻射增強(qiáng)20%對稻田N2O排放通量無顯著影響[18]。還有研究表明,不同種類作物對UV-B輻射的敏感性不同,且同類作物的不同品種對UV-B輻射的敏感性也不相同[29-31]。另外,水肥管理的差異對N2O排放也有著重要的影響[32-33]。這些不同的研究結(jié)果可能是由于作物類型、土壤理化性質(zhì)和水肥管理措施等因素不同造成的。從稻田N2O排放季節(jié)性變化及不同生育期累積排放量來看,施硅促進(jìn)了水稻N2O排放,其原因可能在于,施硅促進(jìn)了水稻通氣組織剛性,提高了植株輸氧能力和根系氧化力,施硅還可激活水稻根際過氧化物酶,引起土壤氧化還原電位(Eh)升高,促進(jìn)了硝化作用[24]。稻田N2O和CH4排放存在一定的消長關(guān)系[34]。本研究也證明了這一點(diǎn),施硅減少了稻田CH4排放,卻促進(jìn)了N2O排放。

UV-B輻射增強(qiáng)顯著提高水稻CH4和N2O排放通量和累積排放量,施硅可減少稻田CH4排放,但可促進(jìn)稻田N2O排放。因此,可借用全球增溫潛勢(GWPs)來探究施硅是否能減輕稻田CH4和N2O排放的綜合溫室效應(yīng)。結(jié)果表明,UV-B增強(qiáng)顯著增加了稻田CH4和N2O排放的綜合增溫潛勢,而施硅則明顯減輕了UV-B增強(qiáng)對全球增溫潛勢的貢獻(xiàn)(表4)。未來將繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究,以進(jìn)一步探究不同硅肥類型、施硅量、施硅方法對UV-B輻射下稻田CH4和N2O排放及溫室效應(yīng)的影響。

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Effect of silicate supply on CH4and N2O emissions and their global warming potentials in a Chinese paddy soil under enhanced UV-B radiation

ZHAO Sidi, LOU Yunsheng*, ZHANG Yiwei, ZHU Huaiwei, SHI Yifan

CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters/JiangsuKeyLaboratoryofAgriculturalMeteorology,Nanjing210044,China

Enhanced ultraviolet-B (UV-B) radiation, one of the most important problems caused by global climate change, is induced by the depletion of the stratospheric ozone layer and has

considerable attention worldwide. It has resulted in damage to various plant processes, including growth inhibition, photosynthetic depression, lipid peroxidation, and ultra-structural change, and this has led to crop yield reductions. Methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) are two potent greenhouse gases, and have 21 and 310 times higher global warming potentials (GWP), respectively, than CO2on a 100-year time scale. N2O is the most important ozone-depleting substance in the 21st century, and paddy fields are regarded as one of the most important biological sources of N2O and CH4. Silicate is beneficial to rice growth, but so far there have been few reports on whether silicate application can reduce CH4and N2O emissions from paddy soils. A field experiment was conducted to investigate the effects of silicate application on CH4and N2O emissions and their GWPs in a Chinese paddy soil under enhanced UV-B radiation. The experiment had two UV-B radiation levels, i.e. ambient UV-B (A, ambient) and enhanced UV-B radiation (E, enhanced by 20%); and two silicate application levels, i.e. a control (Si0, 0 kg SiO2/hm2) and added silicate (Si1, 200 kg SiO2/hm2). The experiment was undertaken at the Station of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, China. The emission fluxes for CH4and N2O were determined by the closed chamber method at one-week intervals during the rice growing period. The results showed that, compared to ambient UV-B radiation, enhanced UV-B radiation decreased the shoot, root, and whole rice plant dry matter weights at the maturity stage by 13.12%, 53.31%, and 25.85%, respectively, in the no silicate treatment; and by 1.47%, 34.49%, and 11.12%, respectively, in the added silicate treatments. Therefore, enhanced UV-B radiation clearly depressed rice growth, but supplying silicate could significantly alleviate the depressive effect of enhanced UV-B radiation on rice growth. Enhanced UV-B radiation significantly increased CH4flux and its accumulated emissions, whereas supplying silicate significantly reduced CH4flux and its accumulated emissions. In the treatments without adding silicate, enhanced UV-B radiation significantly increased CH4accumulated emissions at the tillering stage, jointing-booting stage, heading-flowering stage, grain filling-maturity stage, and over the whole growth period by 101.65%, 63.12%, 13.96%, 3.94%, and 89.43%, respectively, over that under the ambient UV-B radiation. Under enhanced UV-B radiation, adding silicate significantly decreased CH4accumulated emissions by 35.83%, 45.96%, 39.84%, 10.29%, and 38.41%, respectively. Enhanced UV-B radiation also significantly increased N2O flux and its accumulated emission levels. In the treatments with no additional silicate, enhanced UV-B radiation significantly increased N2O accumulated emission levels at the tillering stage, jointing-booting stage, heading-flowering stage, grain filling-maturity stage and over the whole growth period by 69.89%, 41.62%, 134.57%, 84.46%, and 73.69%, respectively, over those under the ambient UV-B radiation. The effects of silicate supply on N2O emissions from the paddy soil changed depending on the rice growth stage. Under enhanced UV-B radiation, supplying silicate significantly reduced N2O accumulated emissions at the tillering stage and heading-flowering stage by 16.57% and 32.97%, respectively, but increased N2O accumulated emissions at the jointing-booting stage, grain filling-maturity stage, and over the whole growth period by 68.06%, 23.09%, and 29.53%, respectively. It also significantly increased the global warming potentials (GWPs) of CH4and N2O by 51.92% to 83.31%, respectively. Supplying silicate significantly reduced the GWPs of CH4and N2O by 1.19% to 18.10%, respectively. In conclusion, enhanced UV-B radiation significantly increased N2O flux and its accumulated emissions, and stimulated the GWPs of CH4and N2O. Silicate application significantly reduced CH4flux and its accumulated emissions, promoted N2O flux and accumulated emissions, and reduced the GWPs of CH4and N2O. This study suggests that silicate application can reduce CH4and N2O emissions and subsequent GWPs, and reduce the contribution of enhanced UV-B radiation to global warming potentials.

UV-B radiation; silicate supply; rice; methane; nitrous oxide

國家自然科學(xué)基金(41375159)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20131430)

2016- 04- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604110661

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yunshlou@163.com

肇思迪,婁運(yùn)生,張祎瑋,朱懷衛(wèi),石一凡.UV-B增強(qiáng)下施硅對稻田CH4和N2O排放及其增溫潛勢的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(14):4715- 4724.

Zhao S D, Lou Y S, Zhang Y W, Zhu H W, Shi Y F.Effect of silicate supply on CH4and N2O emissions and their global warming potentials in a Chinese paddy soil under enhanced UV-B radiation.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4715- 4724.