施硅對(duì)增溫稻田CH4和N2O排放的影響

劉 燕,婁運(yùn)生,楊蕙琳,周東雪

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044 2 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210044

氣候變暖是氣候變化的主要特征之一。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告顯示,1880—2012年全球地表平均溫度升高了0.85℃,1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率(0.12℃/10a)幾乎是1880年以來(lái)升溫速率的兩倍,未來(lái)仍將持續(xù)變暖[1]。在氣溫上升的同時(shí),其增幅還呈現(xiàn)明顯的季節(jié)和晝夜不對(duì)稱性,即冬春季增幅顯著高于夏秋季,夜間增幅顯著高于白天[2]。大氣中溫室氣體濃度的持續(xù)增長(zhǎng)是引起全球氣候變暖的主要原因[3-5]。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是兩種主要溫室氣體,稻田是CH4和N2O的重要排放源[6-8]。據(jù)估算,稻田CH4排放約占全球CH4總排放的17%[9],稻田N2O排放約占農(nóng)田N2O總排放的10%[10]。我國(guó)是水稻種植大國(guó),種植面積占全球的 20%,總產(chǎn)量占全球30%[4]。因此,在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的情況下,減少稻田溫室氣體排放已成為水稻生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化的研究熱點(diǎn)。

夜間增溫對(duì)水稻生產(chǎn)及CH4和N2O的排放的影響日益受到人們關(guān)注。夜間增溫導(dǎo)致熱帶、亞熱帶地區(qū)水稻分蘗數(shù)減少,生育期縮短,葉片衰老加快,凈光合速率下降,有效穗數(shù)和穗粒數(shù)減少,導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降[11-13]。溫度不僅影響CH4產(chǎn)生及其向大氣的傳輸效率,還影響產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性。培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在25—35℃內(nèi)CH4產(chǎn)生量隨溫度升高而增加。溫度升高有利于有機(jī)物分解,提高產(chǎn)甲烷菌活性,促進(jìn)CH4產(chǎn)生排放[14]。田間模擬試驗(yàn)表明,溫度升高顯著增加稻田土層CH4和N2O濃度,提高稻田CH4和N2O排放通量和累計(jì)排放量[15-17]。硅是植物生長(zhǎng)有益元素,施硅可促進(jìn)水稻植株生長(zhǎng),提高產(chǎn)量,增強(qiáng)對(duì)重金屬毒害、高溫、病蟲害等逆境脅迫的抗性[18-20]。同時(shí),施硅可顯著減少稻田CH4的排放[21-22],但對(duì)N2O排放影響研究結(jié)果不一[23-24]。培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施用鋼渣硅肥可抑制稻田N2O產(chǎn)生[22],也有發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)N2O排放[25],也有認(rèn)為對(duì)N2O排放沒有影響[24, 26]。

有關(guān)增溫或施硅單因子對(duì)水稻生產(chǎn)及稻田土壤CH4、N2O排放影響的已有報(bào)道,但二者耦合對(duì)水稻生產(chǎn)、增溫潛勢(shì)及溫室氣體強(qiáng)度的影響,目前尚不清楚。而且,以往的報(bào)道大多基于盆栽或培養(yǎng)試驗(yàn),不能代表大田試驗(yàn)的情況,在盆栽或培養(yǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展大田試驗(yàn)是必要的。因此,通過(guò)田間模擬試驗(yàn)闡明施硅能否緩解夜間增溫對(duì)水稻生產(chǎn)的不利影響,實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一,以提高水稻生產(chǎn)應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化的能力有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間模擬試驗(yàn)于2018年6月到2018年11月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.0°N,118.8°E)進(jìn)行。該站地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū),年均降水量為1100 mm,年均氣溫為15.6℃。供試水稻品種為超級(jí)稻南粳9108。供試土壤為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,質(zhì)地為壤質(zhì)粘土,有機(jī)碳、全氮的含量分別為19.4、1.45 g/kg,粘粒含量為26.1%,pH為6.2(土水比1∶1)。供試氮磷鉀肥料為高濃度復(fù)合肥(15-15-15)。供試硅肥為鋼渣硅肥,含有效硅(SiO2)為13.8%,含鐵16.4%(總鐵,Fe),含錳2.8%(MnO),含磷(P2O5)2.1%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用兩因素2水平隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),夜間增溫設(shè)2水平,即常溫對(duì)照(CK)和夜間增溫(NW)；施硅量設(shè)2水平,即不施硅(Si0,0 kgSiO2/hm2)和施硅(Si1,200 kgSiO2/hm2)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理,即常溫對(duì)照+不施硅(CK+Si0)、增溫+不施硅(NW+Si0)、增溫+施硅(NW+Si1)及常溫對(duì)照+施硅(CK+Si1)。夜間增溫處理從水稻分蘗期開始,在小區(qū)四周搭設(shè)不銹鋼管支架,將鋁箔反光膜固定于支架頂端,夜間(19：00—6：00)用鋁箔反光膜覆蓋水稻冠層,白天將鋁箔反光膜揭開。隨水稻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程,及時(shí)調(diào)整不銹鋼管支架,使鋁箔反光膜與水稻冠層保持0.3 m左右。每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積為2 m×2 m。

水稻種子經(jīng)消毒、浸種,在35℃培養(yǎng)箱中催芽,于2018年5月10日育苗,6月9日移栽,株行距為20 cm×20 cm。試驗(yàn)田經(jīng)耕作、整地,幼苗移栽前1d施肥,每小區(qū)施入復(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)施鋼渣硅肥818 g,相當(dāng)于施硅量為200 kg/hm2。為減少肥料損失,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,氮磷鉀復(fù)合肥和硅肥均作為基肥一次性施入。水稻生長(zhǎng)期保持水層厚度5 cm,根據(jù)水層變化及降雨情況進(jìn)行合理灌溉。7月27日至8月10日曬田,而后灌溉復(fù)水,9月22日停止灌溉直到收獲。大田常規(guī)管理,病蟲害防治依據(jù)田間實(shí)際情況進(jìn)行。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1根系活力

在水稻分蘗期(1—43 d)、拔節(jié)期(44—63 d)、抽穗-揚(yáng)花期(64—76 d)及灌漿-成熟期(77—142 d),分別采集預(yù)先移植于尼龍根袋(300目)中的植株,連同根袋將完整植株從稻田土壤中拔出,用剪刀剪開尼龍根袋,先用自來(lái)水而后用去離子水,將待測(cè)水稻根系沖洗干凈,用吸水紙吸干水分。而后,稱取0.5 g根系鮮樣,放入25mL三角瓶中,加入5mL 的0.4% TTC和5mL 0.1mol/L的磷酸緩沖液(pH=7.0)混合均勻,放入水浴鍋(37℃暗保溫)浸泡3 h至紅色,之后加入1mol/L硫酸2mL終止反應(yīng)。擦干水分后,加入3—5mL的乙酸乙酯和少量石英砂研磨,補(bǔ)充乙酸乙酯定容至10mL,用分光光度計(jì)于485nm處比色,記錄吸光度值,查標(biāo)準(zhǔn)曲線,求出TTC的還原量。

根系活力計(jì)算公式如下：

根系活力=C/(1000×m×t)

(1)

式中,C為四氮唑還原量(μg)；m為根質(zhì)量(g)；t為保溫時(shí)間(h)；根系活力單位為mg/(g·h)。

1.3.2生物量及產(chǎn)量

在水稻成熟期采樣測(cè)定生物量,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,用自來(lái)水洗凈。將根、莖、葉、穗分別放入牛皮紙袋中,置入105℃烘箱內(nèi),殺青20 min,而后在70℃下烘干至恒重并稱量。在水稻成熟收獲期,每小區(qū)中部選取0.5 m×0.5 m的長(zhǎng)勢(shì)均一的稻株采集稻穗,用常規(guī)方法進(jìn)行脫粒、風(fēng)干、稱重,計(jì)算單位產(chǎn)量。

1.3.3氣體采集、分析與計(jì)算

用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定稻田土壤CH4和N2O的排放通量。水稻移栽后幼苗植株較小,采樣會(huì)干擾幼苗生長(zhǎng),因而在移栽4周左右開始采樣[14, 23]。每周采樣1次,時(shí)間為上午8：00—11：00。幼苗移栽前將采樣箱底座固定于小區(qū)中間土壤內(nèi),而后將長(zhǎng)勢(shì)一致的一叢幼苗(2株)移入底座內(nèi)。采樣時(shí),將圓柱狀PVC靜態(tài)箱(H×D=130 cm × 17cm)下端置于預(yù)先固定于土壤中的底座上,通過(guò)水層密封保證箱體的氣密性。密封后,接通電源驅(qū)動(dòng)固定于靜態(tài)箱頂部的小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)15s以混勻箱內(nèi)氣體,而后分別于封箱后0、15、30 min用帶有三通閥的PVC注射器采集箱內(nèi)氣體,采集的氣樣轉(zhuǎn)入預(yù)先抽成真空的玻璃采樣瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室,用氣相色譜儀(Agilent 7890B)測(cè)定氣樣中CH4和N2O濃度。色譜測(cè)定條件為：FID檢測(cè)器溫度200℃,柱箱溫度50℃,載氣N2(流量校正不會(huì)影響尾吹氣或燃?xì)饬髁?,空氣和H2流量分別為400 mL/min和45 mL/min；測(cè)定一個(gè)氣樣需要4.5 min,至3.8 min時(shí)注入下一管待測(cè)樣品。在氣樣采集的同時(shí),記錄靜態(tài)箱內(nèi)氣溫。

CH4和N2O的排放通量計(jì)算如下：

(2)

式中,F為氣體排放通量(mg m-2h-1),ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度(kg/m3),H為采樣箱的高度,T為采樣箱內(nèi)的溫度(℃),dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體隨時(shí)間的變化率。

水稻各生育期累計(jì)排放量根據(jù)公式(3)計(jì)算：

Q=∑[(Fi+1+Fi)/2]×(Di+1-Di)×24

(3)

式中,Q為水稻生育期累計(jì)排放量(mg/m2),Fi+1、Fi分別為第i+1次和i次采樣時(shí)氣體平均排放通量(mg m-2h-1),Di+1和Di分別時(shí)第i+1次和i次的采樣時(shí)間(d)。

全球增溫潛勢(shì)的計(jì)算,以CO2作為參考?xì)怏w(CO2的GWP值為1),以百年尺度計(jì)算,CH4和N2O的GWP值分別是CO2的28倍和265倍[1],其綜合增溫潛勢(shì)的計(jì)算如公式(4)所示：

SGWP=TC×28+TN×265

(4)

式中,SGWP為CH4和N2O的綜合增溫潛勢(shì)(CO2kg/hm2),TC和TN分別為CH4和N2O的累計(jì)排放量(mg/m2)。

CH4和N2O的排放強(qiáng)度(即產(chǎn)量尺度下的全球增溫潛勢(shì))計(jì)算如公式(5)所示：

GHGI=SGWP/p

(5)

式中,GHGI 為氣體排放強(qiáng)度(CO2kg/t),SGWP為氣體綜合增溫潛勢(shì)(CO2kg/hm2),p為水稻產(chǎn)量(t/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016進(jìn)行整理,以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,用統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS 21.0)進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(Duncan法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 夜間增溫下施硅對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

由圖1可知,隨水稻生長(zhǎng)進(jìn)程,植株根系活力呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì),即：分蘗期>拔節(jié)期>抽穗期>灌漿-成熟期。在分蘗期,無(wú)論施硅與否,夜間增溫對(duì)水稻根系活力均無(wú)顯著影響；但無(wú)論是否進(jìn)行夜間增溫,施硅均能顯著促進(jìn)根系活力；在常溫對(duì)照下,施硅的水稻植株根系活力比不施硅升高31.25%,在夜間增溫下,施硅的根系活力比不施硅升高39.47%。在拔節(jié)期,無(wú)論是否進(jìn)行夜間增溫,施硅對(duì)水稻根系活力均無(wú)顯著影響。在不施硅情況下,夜間增溫顯著降低水稻的根系活力,比常溫對(duì)照降低40.51%；但施硅情況下,夜間增溫對(duì)根系活力無(wú)顯著影響。在抽穗期,各處理間水稻根系活力均無(wú)顯著差異,數(shù)值也較低(0.18—0.22 mg g-1h-1)。在灌漿-成熟期,夜間增溫引起水稻根系活力下降,但未達(dá)顯著水平(P>0.05),而施硅可顯著提高根系活力,比不施硅升高149.10%,在夜間增溫情況下,施硅處理水稻根系活力比不施硅升高70.40%?？梢?在水稻拔節(jié)期和灌漿-成熟期,施硅能有效緩解夜間增溫對(duì)水稻根系活力的抑制作用。

圖1 夜間增溫下施硅對(duì)水稻根系活力的影響

施硅可提高水稻地下部干重、地上部干重和全株干重(表1)。常溫對(duì)照下施硅水稻上述干重指標(biāo)依次比不施硅提高134.05%、13.87%和19.92%；夜間增溫下施硅水稻上述干重指標(biāo)比不施硅提高38.35%、64.19%和60.61%。

夜間增溫引起水稻地下部干重下降(表1)。在不施硅情況時(shí),夜間增溫處理的水稻植株地下部、地上部干重及全株干重比常溫對(duì)照分別降低8.23%、26.94%和24.81%；在施硅情況下,夜間增溫處理的水稻地下部干重比常溫對(duì)照降低45.75%。

表1 夜間增溫下施硅對(duì)水稻地上部干重、地下部干重及產(chǎn)量的影響

夜間增溫導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降,而施硅可提高水稻產(chǎn)量,但處理間差異未達(dá)顯著水平?？梢?施硅可有效緩解夜間增溫對(duì)水稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的抑制作用。

2.2 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4和N2O排放通量的影響

由圖2可看出,不同處理的稻田土壤CH4排放通量變化趨勢(shì)基本一致,即：在分蘗期(1—43 d)呈穩(wěn)步上升趨勢(shì),在第43 d(分蘗末期或拔節(jié)初期)CH4排放通量達(dá)峰值；而后從拔節(jié)期(44—63 d)開始,呈逐漸下降趨勢(shì)；移栽后第49 d至第64 d為曬田階段,曬田開始后,CH4排放通量急劇下降直到曬田結(jié)束；灌溉覆水后,CH4排放通量逐漸升高,在抽穗-灌漿期(64—114 d),呈小幅度波動(dòng),在第77 d和106 d時(shí)出現(xiàn)兩次的排放峰值；在成熟期(115—142 d)停止灌水后,CH4排放通量接近0值。

圖2 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4排放通量的影響

四種處理的CH4排放通量高低順序依次是：NW+Si0>CK+Si0>NW+Si1>CK+Si1。無(wú)論夜間增溫與否,施硅均降低CH4排放。在常溫對(duì)照條件下,施硅稻田平均CH4排放通量在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿-成熟期分別比不施硅低27.85%、52.86%、60.41%和10.79%；在夜間增溫條件下,施硅稻田的CH4排放通量在上述生育期比不施硅分別低41.87%、47.28%、57.15%和37.08%。

無(wú)論施硅與否,夜間增溫均提高CH4排放通量。在不施硅情況下,夜間增溫處理稻田的方法CH4排放通量比常溫對(duì)照在上述生育期分別升高36.36%、46.48%、22.40%和123.80%。而在施硅條件下,上述生育期夜間增溫處理比常溫對(duì)照處理的CH4排放通量分別升高9.87%、63.83%、32.49%和57.85%?？梢?施硅可抑制CH4排放通量,而夜間增溫則促進(jìn)CH4排放通量,施硅能緩解夜間增溫對(duì)CH4排放通量的促進(jìn)作用。

由圖3可知,四種處理的N2O排放通量的變化趨勢(shì)相似。在水稻分蘗期(1—43 d),N2O的排放較低；曬田后,N2O排放通量急速上升,在第63 d,四種處理的N2O排放通量均達(dá)到峰值；曬田結(jié)束覆水后,N2O排放通量迅速下降,之后在抽穗-灌漿期(64—114 d)呈波動(dòng)變化,除對(duì)照在第72天和第92天出現(xiàn)接近0的負(fù)值之外,其他處理的變化幅度均在0—0.15 mg m-2h-1之間；停止灌水后,N2O排放通量開始有所波動(dòng)回升,但數(shù)值要遠(yuǎn)低于曬田期間,約在0.1—0.2 mg m-2h-1間波動(dòng)。

圖3 夜間增溫下施硅對(duì)稻田N2O排放通量的影響

從整個(gè)生育期來(lái)看,與對(duì)照相比,其他三種處理均能促進(jìn)N2O的排放。在分蘗期,增溫、增溫+施硅及施硅處理的N2O排放通量分別比對(duì)照增加50.79%、32.98%和102.04%；在拔節(jié)期,這三種處理分別比對(duì)照升高100.33%、46.82%和39.49%；在灌漿成熟期,三種處理分別比對(duì)照升高9.98%、24.96%和21.20%。從全生育期N2O平均排放通量來(lái)看,夜間增溫處理的稻田對(duì)N2O排放通量的促進(jìn)最高,比對(duì)照高出59.31%,夜間增溫+施硅處理的次之,比對(duì)照高出39.64%；只進(jìn)行施硅處理相比對(duì)照高出39.41%?？梢?施硅和夜間增溫均促進(jìn)N2O的排放,兩者耦合也促進(jìn)N2O的排放,三種處理對(duì)N2O的促進(jìn)程度依次是NW+Si0> NW+Si1>CK+Si1。

2.3 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4和N2O各生育期累計(jì)排放量的影響

由表2可看出,在水稻四個(gè)生育期中,不同處理的CH4累計(jì)排放量均在分蘗期最高,約占全生育期排放量的50%左右；其次是拔節(jié)孕穗期和灌漿成熟期,約占20%—30%；抽穗-揚(yáng)花期最低,只占整個(gè)生育期排放量的1%—2%。無(wú)論施硅與否,夜間增溫下CH4的累計(jì)排放量均較高。在不施硅條件下,夜間增溫處理的CH4累計(jì)排放量,在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗-揚(yáng)花期和灌漿成熟期及全生育期,分別比對(duì)照增加47.07%、48.41%、53.66%、120.75%和59.71%,各處理與對(duì)照間差異均達(dá)顯著水平；在施硅條件下,夜間增溫處理的CH4累計(jì)排放量在上述生育期及全生育期,分別比對(duì)照處理升高6.40%、95.79%、60.82%、55.91%和36.51%,除分蘗期外,各處理與對(duì)照間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表2 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4各生育期累計(jì)排放量的影響

無(wú)論增溫與否,施硅均降低CH4的累計(jì)排放量。在常溫對(duì)照條件下,施硅處理的CH4累計(jì)排放量在上述生育期及全生育期,分別比對(duì)照降低28.28%、61.46%、63.30%、13.81%和37.61%,除灌漿-成熟期外,各處理與對(duì)照間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；在夜間增溫條件下,施硅處理的CH4累計(jì)排放量在上述生育期,分別比不施硅處理的降低48.12%、49.16%、61.59%和39.13%,全生育期的CH4累計(jì)排放量比不施硅的降低46.67%,差異均達(dá)顯著水平?？梢?夜間增溫提高CH4累計(jì)排放量,施硅則降低CH4累計(jì)排放量,施硅可緩解夜間增溫對(duì)CH4排放的促進(jìn)作用。

由表3可看出,在水稻四個(gè)生育期,各處理均在灌漿-成熟期N2O排放量最高,占全生育期的35%—50%,拔節(jié)-孕穗期和抽穗-揚(yáng)花期次之,約占20%—30%,分蘗期最低,僅全生育期的5%—15%。夜間增溫或施硅均能促進(jìn)稻田N2O在各生育期的累計(jì)排放量,只施硅的稻田N2O累計(jì)排放量,在上述生育期及全生育期分別比對(duì)照升高237.25%、50.73%、37.50%、29.80%和48.44%,且與對(duì)照間差異均達(dá)顯著水平；只進(jìn)行夜間增溫處理的N2O累計(jì)排放量,分別比對(duì)照高121.64%、93.43%、118.28%、12.81%和60.97%,除灌漿-成熟期外,各處理與對(duì)照間差異均達(dá)顯著水平。夜間增溫下施硅促進(jìn)稻田N2O累計(jì)排放量,在上述生育期和全生育期分別比對(duì)照升高78.17%、51.45%、52.01%、26.14%和40.70%,且除分蘗期外,均和對(duì)照間達(dá)顯著差異?？梢?施硅或夜間增溫均提高N2O累計(jì)排放量,夜間增溫下施硅可增加稻田N2O累計(jì)排放量。從全生育期來(lái)看,三種處理對(duì)稻田N2O累計(jì)排放量的促進(jìn)程度,依次為NW+Si0>CK+Si1>NW+Si1>CK+Si0。

表3 夜間增溫下施硅對(duì)稻田N2O各生育期累計(jì)排放量的影響

2.4 夜間增溫下施硅對(duì)稻田增溫潛勢(shì)及排放強(qiáng)度的影響

從表4看出,常溫對(duì)照(CK+Si0),只進(jìn)行夜間增溫(NW+Si0)和夜間增溫下施硅(NW+Si1)處理的稻田CH4的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度占比較高,約占53%—65%,而只進(jìn)行施硅處理(CK+Si1)的稻田,N2O則占比較高,為55.94%。無(wú)論增溫與否,施硅均顯著降低CH4的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。常溫對(duì)照條件下,施硅處理(Si1)稻田CH4增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度比不施硅(Si0)低37.61%和45.56%；夜間增溫條件下,Si1處理的CH4增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度比Si0處理的低46.67%和50.22%。無(wú)論施硅與否,夜間增溫均顯著提高CH4的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。在Si0條件下,NW處理的稻田增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度比常溫對(duì)照(CK)高59.71%和66.83%；在Si1條件下,NW處理的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度比常溫對(duì)照(CK)的高36.51%和52.55%。

表4 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4和N2O增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的影響

與不施硅常溫對(duì)照處理相比(CK+Si0),其他三種處理均顯著促進(jìn)N2O的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度。Si1處理稻田增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,分別比Si0處理高60.97%和68.13%,而NW處理的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,分別比常溫對(duì)照高48.44%和29.52%；夜間增溫下施硅處理(NW+Si1)的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,比不施硅常溫對(duì)照(CK+Si0)高40.70%和37.18%。

總體上,夜間增溫可顯著促進(jìn)CH4和N2O的綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,施硅可降低CH4和N2O的綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,施硅可有效緩解夜間增溫對(duì)CH4和N2O綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的促進(jìn)作用。

3 討論

3.1 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4和N2O排放的影響

3.2 夜間增溫下施硅對(duì)稻田CH4和N2O增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的影響

本研究結(jié)果表明,夜間增溫下施硅稻田CH4和N2O對(duì)增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的貢獻(xiàn)基本相當(dāng),各占50%左右(表4),原因可能在于,雖然CH4的累計(jì)排放量要遠(yuǎn)大于N2O,但單位質(zhì)量的N2O所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)卻是CH4的20倍。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈GHGI的大小與土壤固碳量、作物產(chǎn)量、農(nóng)田向大氣釋放CH4和N2O量有直接的關(guān)系[50]。夜間增溫可顯著促進(jìn)CH4和N2O的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,原因可能在于：(1)夜間增溫能直接促進(jìn)CH4和N2O的排放量,從而促進(jìn)增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度；(2)GHGI是指單位產(chǎn)量的GWP,夜間增溫降低了水稻產(chǎn)量,減少了土壤固碳量,從而提高CH4和N2O的排放強(qiáng)度。施硅可顯著降低CH4的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,卻增加N2O的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度(表4),原因可能在于：施硅雖然可提高水稻產(chǎn)量,但處理間差異并不顯著,因而CH4和N2O的增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度受CH4和N2O排放量的影響更大,施硅對(duì)CH4排放的抑制和對(duì)N2O排放的促進(jìn)作用,直接反映到其增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度上。但是,前人研究發(fā)現(xiàn),施入鐵爐渣、鋼渣硅鈣肥對(duì)CH4和N2O的增溫潛勢(shì)均起降低作用[51],原因可能在于：(1)本試驗(yàn)施入的鋼渣硅肥含有效硅(SiO2)13.8%,而后者施入的鐵爐渣和鋼渣硅鈣肥中有效硅(SiO2)含量分別是40.7%和27.72%,且富含鈣、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；(2)稻田土壤的速效鈣、速效硅會(huì)提高CH4的氧化量[37],但對(duì)不同途徑N2O通量的影響并不一致,對(duì)擴(kuò)散途徑的N2O通量表現(xiàn)為抑制作用,對(duì)氣泡與植物體途徑的N2O通量表現(xiàn)為促進(jìn)作用[52]。

從稻田綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度來(lái)看,施硅有效緩解夜間增溫對(duì)稻田CH4和N2O綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的促進(jìn)作用(表4),但施硅對(duì)CH4和N2O綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的影響,與前人研究有所不同。未來(lái)研究需進(jìn)一步關(guān)注硅肥種類、有效含量及施用量,是否對(duì)CH4和N2O綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響(促進(jìn)或抑制),進(jìn)一步確定如何施硅、施何種硅肥,才能更有效地緩解夜間增溫對(duì)稻田溫室效應(yīng)的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

在拔節(jié)期和灌漿成熟期,施硅可緩解夜間增溫對(duì)水稻根系活力的抑制作用,其他生育期緩解作用不明顯。夜間增溫可降低水稻的地上部、地下部以及全株干重和產(chǎn)量；而施硅可提高水稻地上部、地下部及全株干重和產(chǎn)量；施硅可有效緩解夜間增溫對(duì)水稻的干重及產(chǎn)量的抑制作用。

在水稻生長(zhǎng)季,從排放通量的變化看,4種處理的稻田CH4排放通量排序?yàn)椋篘W+Si0>CK+Si0>NW+Si1>CK+Si1。相反,4種處理間N2O排放通量的差異大多不明顯,僅在中期曬田時(shí)N2O排放達(dá)峰值,其余淹水時(shí)期的排放值均較低,接近于0。從累計(jì)排放量看,CH4的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于N2O,夜間增溫可明顯促進(jìn)CH4排放,施硅可明顯降低CH4排放,施硅可有效緩解夜間增溫對(duì)CH4排放的促進(jìn)作用；與CH4不同的是,與對(duì)照相比,其他處理均促進(jìn)N2O的排放。從全球增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度看,夜間增溫下施硅稻田CH4和N2O的貢獻(xiàn)基本相當(dāng),大約各占50%左右；總體上,夜間增溫可顯著促進(jìn)CH4和N2O的綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,而施硅可降低其綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度,施硅可緩解夜間增溫對(duì)綜合增溫潛勢(shì)和排放強(qiáng)度的促進(jìn)作用。