生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤N2O濃度剖面分布的影響

祁蘇婷，楊士紅,2，俞灣青

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

農(nóng)田是大氣N2O排放的重要源，大量研究表明，淹水灌溉稻田土壤N2O排放很小[1,2]。面對(duì)日益嚴(yán)峻水資源緊缺現(xiàn)狀，各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用。但水稻節(jié)水灌溉的干濕交替過程促進(jìn)了稻田N2O排放。徐華等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)稻田土壤干濕交替時(shí)N2O排放通量較持續(xù)淹水時(shí)顯著增大?？刂乒喔鹊咎锿寥烂撍龠M(jìn)了N2O排放，而土壤復(fù)水減少了N2O排放，且N2O排放通量在脫水后3～6 d達(dá)到峰值[4]。與此同時(shí)，生物炭作為一種新型的肥料，研究表明，其在淹水稻田的施用可以減少N2O的排放[5]。但已有研究主要針對(duì)生物炭施用對(duì)淹水灌溉稻田N2O排放過程影響[6,7]，針對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤N2O產(chǎn)生與排放過程對(duì)生物炭響應(yīng)的研究較少。

因此，本文以南方地區(qū)稻田為研究對(duì)象，采用田間試驗(yàn)與室內(nèi)微電極實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，從稻田土壤N2O濃度剖面分布規(guī)律的角度分析生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田N2O產(chǎn)生與排放的影響。為更加全面評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉稻田的環(huán)境效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)稻田水土資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)基地位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量為1 097.1 mm，年日照時(shí)數(shù)為2 085.9 h，年平均氣溫為15.5 ℃，年平均無霜期為234 d。土壤類型為潴育型黃泥土，稻田耕層土壤質(zhì)地為重壤土，0～18 cm土層土壤全氮含量1.79 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為21.71 g/kg，全磷含量為1.4 g/kg，全鉀含量為20.86 g/kg，0～30 cm土壤容重為1.32 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在排水式蒸滲儀(面積為2.5 m×2 m)中進(jìn)行，試驗(yàn)中灌溉模式采用控制灌溉(C)和淹水灌溉(F)兩種灌溉方式。對(duì)于控制灌溉(C)，水稻秸稈生物炭施用量設(shè)置3個(gè)水平：0 t/hm2(A)、20 t/hm2(B)和40 t/hm2(C)；常規(guī)灌溉(F)設(shè)置一個(gè)生物炭施用水平40 t/hm2(C)，總共4個(gè)處理(CA、CB、CC與FC)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)蒸滲儀?？刂乒喔刃^(qū)在返青期田面保留10～30 cm的水層，以后的生育期除滿足施肥、除草等要求外稻田不再有水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%作為灌水控制指標(biāo)[8]。淹水灌溉一直保留 3～5 cm的水層。水稻秸稈生物炭于2016年水稻移栽前一次性施入，基本性狀如表1所示。試驗(yàn)水稻品種為南梗46，株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量為3～4株。水稻于2018年6月23日插秧，并于10月25日收割。2018年施肥量和施肥時(shí)間按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行。6月23日施用基肥，其中施氮量為187.95 kg/hm2、磷肥(P2O5) 63 kg/hm2、鉀肥(K2O) 89.25 kg/hm2。蘗肥和穗肥分別在7月11日與8月6日施用，施氮量分別為69.3 kg/hm2與55.44 kg/hm2。在施用蘗肥及穗肥后每隔2 d共取了8次土樣(分別為施用蘗肥后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d及施用穗肥后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d取土)，在每個(gè)蒸滲儀中采集土樣，取樣深度為表層以下0～20 cm，采集的土壤經(jīng)混合、風(fēng)干后進(jìn)行微電極實(shí)驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)中使用的生物炭的主要成分

1.3 室內(nèi)微電極實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用微電極技術(shù)測(cè)定土壤內(nèi)部剖面N2O濃度。土樣放置于內(nèi)徑3.5 cm，外徑4.5 cm，高度6 cm的透明柱狀體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控灌處理將風(fēng)干土壤水分調(diào)節(jié)到80%飽和含水率，淹灌處理土壤表層保持薄水層。N2O微電極型號(hào)為N2O-NP(丹麥，Unisense)。電極使用前按照Unisense公司提供的方法進(jìn)行極化和校正，設(shè)置控制系統(tǒng)步長(zhǎng)為1 500 μm、測(cè)定深度30 000 μm，測(cè)量時(shí)間12 s，等待時(shí)間12 s。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將土柱全部放入恒溫箱培養(yǎng)，溫度控制在28 ℃左右，預(yù)培養(yǎng)7 d使土柱穩(wěn)定。每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù)進(jìn)行微界面數(shù)據(jù)分析及相應(yīng)的N2O濃度測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘗肥施用后稻田土壤N2O濃度剖面分布

蘗肥施用后，稻田土壤N2O濃度隨剖面深度的變化結(jié)果如圖1所示。以土氣交界面為0 μm基準(zhǔn)面，0 μm基準(zhǔn)面以上深度為負(fù)值，0 μm基準(zhǔn)面以下深度為正值。蘗肥施用后第4 d及第6 d，不同處理稻田土壤N2O濃度的剖面分布規(guī)律大致相同，均呈現(xiàn)出降低—增大—降低的趨勢(shì)。這與Granli[9]等的研究結(jié)果一致。N2O是硝化反硝化作用的產(chǎn)物，土壤表層透氣性較好，利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行；底層土壤較好的厭氧條件利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行；中部區(qū)域土壤硝化、反硝化作用同時(shí)存在，導(dǎo)致N2O濃度最高。蘗肥施用后第2 d各處理土壤N2O濃度隨剖面深度變化不大，這可能與培養(yǎng)初期土柱內(nèi)土壤未完全穩(wěn)定有關(guān)。蘗肥施用后第8 d各處理土壤N2O濃度隨剖面深度呈逐漸增加的趨勢(shì)，這可能與隨著土壤水分消耗，上層土壤產(chǎn)生N2O濃度迅速排入空氣中導(dǎo)致測(cè)量濃度較低有關(guān)。

蘗肥施用后，中量生物炭(20 t/hm2)的施用減小了稻田土壤剖面N2O濃度。從N2O濃度均值來看，蘗肥施用后幾天CB處理N2O濃度均小于CA(如表2)；第2 d、第4 d、第6 d、第8 d CB處理N2O濃度均值較CA處理分別降低了26.0%、5.6%、1.4%、3.1%，但差異不顯著。且蘗肥施用后CB處理稻田土壤剖面不同深度N2O濃度最大值也均小于CA；蘗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d CB處理N2O濃度最大值較CA處理分別降低了25.0%、6.1%、87.2%、1.1%。蘗肥施用后第2 d、第4 d、第8 d，CC處理稻田土壤剖面N2O濃度均值均小于CA處理；CC處理N2O濃度均值較CA處理分別降低了13.6%、2.8%、2.8%，但差異不顯著。但蘗肥施用后第6 d CC處理稻田土壤剖面N2O濃度均值高于CA處理，CC處理N2O濃度均值較CA處理增加了19.2%。這與Cayuela等的研究結(jié)果一致，高量生物炭促進(jìn)土壤N2O產(chǎn)生與排放，本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)高量生物炭中增加了施肥后某段時(shí)間土壤中N2O的濃度。從土壤剖面不同深度N2O濃度來看，蘗肥施用后，中量生物炭施用減小了節(jié)水灌溉稻田土壤剖面N2O濃度。高量生物炭施用增加了施肥后部分時(shí)段稻田土壤中N2O的濃度。

圖1 蘗肥施用后生物炭對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤N2O濃度剖面分布的影響

表2 蘗肥施用后節(jié)水灌溉稻田土壤剖面N2O濃度均值 μmol/L

注：同一列N2O濃度均值后不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。

蘗肥施用后各處理間N2O濃度最大值出現(xiàn)的深度也有所不同。蘗肥施用后第2 d CA處理與CC處理N2O濃度最大值均出現(xiàn)在深度為12 000 μm處，而CB處理N2O濃度最大值卻出現(xiàn)在深度為30 000 μm處；但蘗肥施用后第8 d各處理濃度最大值均出現(xiàn)在深度為24 000～27 000 μm處。不同處理N2O濃度最大值出現(xiàn)深度的相差較大原因可能是不同生物炭施用量使得土壤通氣條件不同。

2.2 穗肥施用后稻田土壤N2O濃度剖面分布

與蘗肥施用后相似，穗肥施用后第2 d各處理土壤N2O濃度隨剖面深度變化不大，這可能與培養(yǎng)初期土柱內(nèi)土壤未完全穩(wěn)定有關(guān)。穗肥施用后第4 d、第6 d及第8 d各處理稻田土壤N2O濃度從土壤表層到下層呈現(xiàn)出降低—升高—降低的趨勢(shì)。

從均值來看(如表3)，穗肥施用后第2 d、第4 d、第8 d CB處理N2O均值較CA處理分別增加了7.8%、16.0%、11.2%，差異顯著(p<0.05)。但穗肥施用后第6 d CB處理N2O濃度均值較CA處理降低了3.5%，差異不顯著。從最大值來看(如圖2所示)，穗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d CB處理土壤各層N2O濃度最大值較CA處理分別增加了21.8%、16.6%、2.2%、27.4%。穗肥施用后第2 d、第6 d，CC處理N2O濃度均值及不同深度N2O濃度最大值均小于CA處理。但穗肥施用后第4 d、第8 d，CC處理N2O濃度均值及不同深度N2O濃度最大值均大于CA處理?？傮w來看，穗肥施用后中量生物炭(20 t/hm2)的施用增大了稻田土壤剖面N2O濃度。目前大部分研究表明生物炭對(duì)N2O排放有抑制作用，但也有部分研究[10]表明生物炭促進(jìn)N2O排放，原因是生物炭施用增加了土壤N源或微生物活性。與蘗肥施用后結(jié)果一樣，高量生物炭對(duì)稻田土壤剖面N2O濃度的影響在不同的培養(yǎng)時(shí)間結(jié)果不一致。

表3 穗肥施用后節(jié)水灌溉稻田土壤剖面N2O濃度均值 μmol/L

注：同一列N2O濃度均值后不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。

圖2 穗肥施用后生物炭對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤N2O濃度剖面分布影響

穗肥施用后各處理N2O濃度最大值出現(xiàn)的深度均在20 000～3 0000 μm處。

2.3 生物炭施用條件下灌溉模式對(duì)稻田土壤N2O濃度剖面分布的影響

不同灌溉模式下稻田水分狀況顯著影響了稻田土壤N2O濃度剖面分布(如圖3)。蘗肥施用后第6 d、第8 d及穗肥施用后，淹水灌溉處理稻田土壤剖面N2O濃度最大值均大于控制灌溉處理(即FC>CC)。蘗肥施用后第6 d、第8 d FC處理N2O濃度最大值較CC處理分別增加了18.7%與32.7%；穗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d FC處理N2O濃度最大值較CC處理分別增加了50.9%、47.0%、59.6%與154.3%。除蘗肥施用后第2 d CC處理N2O濃度均值大于FC處理外，蘗肥施用后第4、6、8 d及穗肥施用后FC處理N2O濃度均值均大于CC處理且差異顯著(p<0.05)。蘗肥施用后第4 d、第6 d、第8 d FC處理N2O濃度均值較CC分別增加了15.2%、8.0%與27.4%；穗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d FC處理N2O濃度均值較CC處理分別增加了48.6%、56.0%、64.7%與118.4%。

已有針對(duì)稻田N2O排放的研究絕大部分都是采用氣相色譜法測(cè)定N2O排放情況，沒有反映N2O在地表以下土壤中的分布和擴(kuò)散情況。而本文的研究主要針對(duì)土壤內(nèi)部N2O濃度分布情況。侯愛新[11]等人的研究表明，土壤含水量較高的淹水期幾乎沒有N2O的排放。但本研究表明，淹水灌溉稻田土壤剖面N2O濃度要大于節(jié)水灌溉稻田。這主要與淹水條件下水分充滿了土壤空隙，土壤內(nèi)生成的N2O向大氣排放過程中受阻，從而大大降低了排放到大氣中N2O有關(guān)；而節(jié)水灌溉的干濕交替管理使稻田土壤存在較多孔隙，促進(jìn)了土壤內(nèi)部生成的N2O向大氣排放的過程。孫志強(qiáng)[12]等在文章中也提到，當(dāng)土壤中水分含量達(dá)到較高水平時(shí)，雖然營(yíng)造了厭氧的環(huán)境促進(jìn)了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，但由于水充滿了土壤孔隙，土壤內(nèi)生成的N2O在向大氣排放過程中受阻。

表4 蘗肥施用后不同灌溉模式稻田土壤剖面N2O濃度均值 μmol/L

注：同一列N2O濃度均值后不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。

表5 穗肥施用后不同灌溉模式稻田土壤剖面N2O濃度均值 μmol/L

注：同一列N2O濃度均值后不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。

圖3 蘗肥施用后不同灌溉模式對(duì)稻田土壤N2O濃度剖面分布的影響

圖4 穗肥施用后不同灌溉模式對(duì)稻田土壤N2O濃度剖面分布的影響

3 結(jié) 論

(1)在施肥后大部分時(shí)段，各處理稻田土壤N2O濃度自表層至下層呈現(xiàn)降低—增加—降低的趨勢(shì)，在施肥后初期或后期會(huì)有所不同。

(2)蘗肥施用后，中量生物炭施用減小了節(jié)水灌溉稻田土壤剖面N2O濃度，穗肥施用后則相反。高量生物炭施用增加了施肥后部分時(shí)段土壤剖面N2O濃度。

(3)淹水灌溉稻田不同深度土壤N2O濃度均顯著高于控制灌溉稻田，而已有研究表明，節(jié)水灌溉會(huì)增加稻田N2O排放。這主要與淹水條件下水分充滿了土壤空隙，土壤內(nèi)生成的N2O在向大氣排放過程中受阻，從而大大降低了N2O向大氣中的排放有關(guān)；而節(jié)水灌溉的干濕交替管理使稻田土壤存在較多孔隙，促進(jìn)了土壤內(nèi)部生成的N2O向大氣排放的過程。