控制灌溉稻田N2O排放對生物有機肥和土壤水分的響應(yīng)

徐 越，侯會靜，韓正砥，楊雅琴，陳哲棟，蔡 敏

(1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009；2.南京市秦淮河河道管理處，南京 210012)

0 引 言

稻田是中國最主要的溫室氣體排放源之一[1]，稻谷生產(chǎn)系統(tǒng)在所有谷類作物種植系統(tǒng)中溫室氣體排放量最高[2]，N2O作為農(nóng)業(yè)部門規(guī)定的主要溫室氣體之一[3]，其排放量占全球溫室氣體排放總量的25%[4]。而在全球主要水稻種植國家中，中國地區(qū)的水稻總產(chǎn)量第一，播種面積第二，其3 031 萬hm2的水稻播種面積占世界總播種面積的18.57%[5]。因此研究中國稻田N2O的排放對于制定中國稻田溫室氣體減排的策略具有重要意義。

施肥管理對稻田溫室氣體的排放有著很大影響[6]。21世紀以來，農(nóng)民因片面追求稻谷的高產(chǎn)而使用過量的化肥[7]，致使環(huán)境污染加劇，土壤質(zhì)量下降[8]，同時土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的礦物氮基質(zhì)增加，導(dǎo)致溫室氣體尤其是N2O等氮氧化物的排放增加[9]。為改善因化肥施用量日益增長而引發(fā)的一系列環(huán)境問題，選擇合適的肥料，改變施肥方式，成為提升土壤肥力、減少溫室氣體排放的關(guān)鍵，也是促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中，生物有機肥作為一種新興生物技術(shù)肥料開始被關(guān)注，近年來關(guān)于生物有機肥的研究逐漸增多[10, 11]。生物有機肥是一種以禽畜糞便、秸稈、農(nóng)副產(chǎn)品和食品加工的固體廢物有機物料以及城市污泥等為原料，配以多種有益微生物菌劑加工而成的肥料[12]，兼有微生物肥料和有機肥的效應(yīng)，施用后可改變土壤的有機碳庫[13]，提高微生物量，優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)，勢必會影響農(nóng)田中N2O的產(chǎn)生和排放?，F(xiàn)有關(guān)于生物有機肥的研究主要集中于其對土壤改良、作物生長、產(chǎn)量及品質(zhì)等方面的影響，而對農(nóng)田溫室氣體排放方面鮮有研究。生物有機肥與減量化肥的聯(lián)合施用，不僅能夠提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，還能有效減少棉花地的溫室氣體的排放[14]。此外生物有機肥中的有機氮量顯著低于化肥，能在一定程度上減緩氮素的沉積，減少森林土壤溫室氣體的排放[15]。但是目前有關(guān)生物有機肥對稻田溫室氣體排放影響的研究罕見報道。因此本文擬通過生物有機肥和化肥配施的單因素試驗研究控制灌溉稻田N2O的排放對生物有機肥和土壤水分的響應(yīng)，為維護農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡和控制溫室氣體排放提供一定的理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年6-11月在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室昆山試驗研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)進行。研究區(qū)地處太湖流域水網(wǎng)地區(qū)低洼平原，屬于亞熱帶南部季風(fēng)性氣候，多年平均氣溫15.5 ℃，多年平均降雨量及蒸發(fā)量分別為1 097.1及1 365.9 mm，年均日照時數(shù)2 085.9 h，無霜期234 d。土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤質(zhì)地為重壤土，0～20 cm土層土壤肥力為：有機質(zhì)21.71 g/kg、全氮1.79 g/kg、全磷1.4 g/kg、全鉀20.86 g/kg，土壤pH值為7.4，土層平均容重為1.32 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為不同施肥制度的單因素控制試驗，設(shè)置3種不同的施肥處理：全施化肥(CK)；50%化肥+50%生物有機肥(T1)；全施生物有機肥(T2)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。采用桶栽種植的方法模擬大田水稻生長狀況，試驗桶均為內(nèi)徑60 cm，高70 cm的PVC桶，共9個。除施肥管理外，各處理灌水、打藥、除草等其他田間管理方式均一致。其中，各處理灌溉模式均采用控制灌溉方式(見表1)。整個試驗過程在研究基地的防雨棚內(nèi)進行。

表1 水稻各生育階段的根層土壤水分控制指標Tab.1 Control indexes of root soil moisture at various growth stages of rice

供試水稻品種為粳米，于2019年6月28號移栽，10月23號收割。水稻全生育期共施3次肥，施肥前均對稻田進行灌水，施肥設(shè)計列于表2。

利用靜態(tài)箱原位采集氣樣，并采用色相氣譜法對稻田N2O排放通量進行監(jiān)測[16]，靜態(tài)箱由有機玻璃箱體和PVC底座兩部分構(gòu)成(見圖1)，箱體高75 cm、底徑30 cm；底座高15 cm(其中10 cm插入土中)、內(nèi)徑29 cm、外徑33 cm。底座上部邊緣處為凹槽設(shè)計，用以放置箱體，取氣時注水密封；箱體頂部封閉，腔室頂部裝有溫度計以記錄采樣期間的箱內(nèi)空氣溫度，箱體側(cè)面外接取氣管線，與接有三通旋塞閥的50 mL注射器相連接。為保證采集氣體的均勻混合，用注射器來回抽取5次以便完全混勻氣體，采集后立即轉(zhuǎn)移至50 mL的氣體采集袋內(nèi)。每次施肥后第1、3、5天取樣，此后為每7天采集一次，采樣時間為10∶00-10∶30，每個采樣點在蓋箱后的第0、10、20、30 min時采集樣本。使用氣象色譜儀(安捷倫7890A)在72 h內(nèi)分析氣樣中N2O的濃度。

1.3 試驗測定項目與計算方法

(1)氣體排放通量(F)。N2O的通量是根據(jù)以下等式計算得出的[17]：

(1)

表2 各施肥模式下的施肥量 kg/hm2

圖1 靜態(tài)箱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of static box

式中：F為氣體通量，mg/(m2· h)；ρ為標準狀態(tài)下的氣體密度，g/cm3；h為腔室高度，m；T為采樣期間腔室內(nèi)的溫度，℃；dc/dt為單位時間腔室內(nèi)氣體的濃度變化率，mg/(m3· h)。

(2)土壤孔隙含水率(Water Filled Pore Space,WFPS)。在每次氣體采樣時，采樣后測定每個腔室內(nèi)的土壤水分和溫度，使用數(shù)字溫度計測量土壤溫度，利用垂直放置在土壤中的時域反射測定儀直接測量土壤水分。本次試驗采用土壤孔隙含水率來描述土壤水分，計算式為：

(2)

式中：WFPS為土壤孔隙含水率，%；ρb為土壤容重，g/cm3；w為重量含水率，%；ρw為水的密度，g/cm3，采用土壤密度ρs為2.65 g/cm3。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)分析與處理，通過OriginPro9.1繪制圖表，采用SPSS 23.0 進行數(shù)據(jù)顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機肥對控制灌溉稻田N2O排放通量的影響

從圖2可以看出，不同施肥模式對稻田的N2O排放通量有著明顯的影響，各處理N2O排放通量具有明顯的相似波動規(guī)律，在水稻移栽后18～68 d內(nèi)(分蘗中期至拔節(jié)孕穗后期)排放水平較高，尤其是在追加分蘗肥和穗肥后；此后，各處理N2O排放通量維持在較低水平。

圖2 控制灌溉稻田N2O季節(jié)排放通量Fig.2 Seasonal N2O emission fluxes from controlled irrigation paddy fields注：圖中箭頭表示施肥。

各處理間的N2O排放通量差異較為明顯，水稻的絕大部分生育期內(nèi)，T2處理的N2O排放通量均明顯低于CK和T1，且總體處于較低水平。全生育期內(nèi)CK與T1的N2O排放通量變幅相近，分別為0.01～4.74 mg/(m2· h)、0～3.44 mg/(m2· h)，T2的變幅較小，范圍為-0.04～1.14 mg/(m2· h)。在水稻全生育期內(nèi)，T2處理的N2O平均排放通量為0.18 mg/(m2· h)，較CK[1.40 mg/(m2· h)]和T1[0.93 mg/(m2· h)]分別減少了87.14%和80.65%(P<0.05)，T1的N2O平均排放通量較CK減少了33.57%(P<0.05)。各處理的N2O排放通量峰值均出現(xiàn)在施肥后，其中峰值以T2處理最小，其主峰值1.14 mg/(m2· h)出現(xiàn)在返青期移栽后3 d，分別較CK[4.74 mg/(m2· h)]和T1[3.44 mg/(m2· h)]減小了75.95%和66.86%；次峰值0.83 mg/(m2· h)出現(xiàn)在返青期移栽后1d，較CK[4.35 mg/(m2· h)]和T1[2.57 mg/(m2· h)]分別減少了80.92%和67.70%。黃熟期水分落干后稻田N2O的排放有微弱增長，但總體維持在較低的水平，且依舊是T2處理的排放水平最低。可見與常規(guī)化肥相比，施用生物有機肥能夠顯著減少稻田N2O的排放，且生物有機肥的施用比例較高時可使其趨勢趨于平緩穩(wěn)定。

2.2 稻田N2O階段累積排放量

通過比較各處理稻田N2O的階段累積排放量(表3)發(fā)現(xiàn)，CK和T1處理在水稻分蘗期至拔節(jié)孕穗期(移栽后10～68 d)的N2O階段排放量較大，其值分別為2 864.82和1 699.05 mg/m2，各自占其全生育期累積排放量的90.20%和83.54%，而T2處理的N2O階段排放量在返青期至分蘗期間(移栽后0～45 d)較大，其排放量(264.18 mg/m2)占全生育期累積排放量的76.38%。T2處理在水稻各生育階段的N2O的累積排放量均低于CK和T1，且差異顯著(P<0.05)。僅在水稻分蘗前期，CK和T1處理的N2O累積排放量差別不大，其余各生育階段內(nèi)N2O的累積排放量在3個處理之間均存在顯著差異(P<0.05)，例如水稻分蘗中期T2處理的階段排放量較CK和T1分別減少了90.42%和84.34%，而在乳熟期較CK和T1分別減少了48.88%和61.62%。

表3 控制灌溉稻田N2O的階段累積排放量 mg/m2

與只施化肥的CK處理相比，配施生物有機肥的T1與T2處理分別顯著降低了35.96%、89.11%的N2O全生育期累積排放量(P<0.05)，說明生物有機肥的施用能夠有效降低稻田N2O的排放。且T2處理的N2O全生育期累積排放量較CK和T1顯著減少了89.11%、83.00%(P<0.05)，表明只施生物有機肥處理對N2O的抑制效果高于施用化肥和配施生物有機肥處理。

2.3 土壤水分與稻田N2O排放的關(guān)系

稻田土壤水分狀況和溫室氣體排放的動態(tài)變化顯示(圖3)，稻田N2O排放通量的變化與土壤水分的關(guān)系非常密切。稻田表面有水層時，土壤處于厭氧或低氧狀態(tài)，N2O的排放通量較低。當?shù)咎锉砻嫠畬娱_始消失后(移栽后23 d)，土壤在微弱脫水狀態(tài)下，稻田N2O排放也出現(xiàn)短暫的增長。之后，隨著土壤孔隙含水率(WFPS)的減小，N2O排放通量增大，當WFPS逐漸回升時，N2O排放通量開始降低，并隨著土壤水層的恢復(fù)開始持續(xù)減小，直至再次脫水時各處理的N2O排放通量隨即開始重新增大。抽穗期以后，N2O排放通量與WFPS間無明顯規(guī)律，此后隨著土壤水分的自然落干，N2O排放通量均維持在較低的水平。

圖3 控制灌溉稻田N2O排放通量與土壤水分的關(guān)系Fig.3 The relationship between N2O emission fluxes and soil moisture in controlled irrigation paddy fields

在水稻黃熟期土壤水分自然落干前，稻田WFPS的變幅為69.32%～82.20%。土壤首次脫水(移栽后23 d)后，CK和T2的N2O排放通量分別增大了1.95和0.02 mg/(m2· h)，而T1的N2O排放通量則減少了1.29 mg/(m2· h)。而當土壤首次復(fù)水后(移栽后28d)的一周內(nèi)，CK、T1和T2的N2O排放通量分別減少了82.42%、90.09%和99.08%。在水稻全生育期，添加生物有機肥的處理(T1和T2)N2O排放通量與WFPS間存在明顯的相關(guān)關(guān)系(表4)，在土壤首次脫水后至水稻乳熟期內(nèi)，各處理WFPS在69.32%～82.20%的范圍內(nèi)波動，此時各處理的N2O排放通量與WFPS間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中CK與T1處理與WFPS呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，水稻黃熟期開始后，WFPS對N2O排放通量的影響不再顯著。

表4 控制灌溉稻田N2O排放通量與WFPS的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.4 Pearson correlation coefficient between N2O emission flux and WFPS in controlled irrigation paddy fields

3 討 論

土壤水分是影響N2O排放的重要因素[25]，稻田淹水時形成的土壤低氧或厭氧環(huán)境抑制N2O的排放，當水層消失土壤轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒鯛顟B(tài)，此時會促進硝化反應(yīng)且抑制反硝化進程，N2O的排放增加。侯會靜等[26]的研究發(fā)現(xiàn)控制灌溉稻田的WFPS≤85.3%時，N2O排放通量與WFPS呈明顯的正指數(shù)相關(guān)關(guān)系。郝耀旭等[27]研究表明小麥-玉米輪作土壤的N2O排放通量與WFPS之間呈顯著正相關(guān)，且當WFPS>60%時，土壤會發(fā)生較強的N2O排放。奚雅靜等[28]的研究發(fā)現(xiàn)溫室番茄土壤的N2O排放峰值多出現(xiàn)在WFPS在60%～80%時，且N2O排放通量與WFPS呈顯著或極顯著對數(shù)函數(shù)關(guān)系。本試驗中，各處理在首次脫水后至乳熟期內(nèi)，WFPS維持在69.32%～82.20%的范圍內(nèi)，且各處理N2O排放通量與WFPS間呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與已有研究結(jié)果相似。

4 結(jié) 論

(1)施用生物有機肥可有效減少稻田N2O的排放。單施生物有機肥及生物有機肥配施化肥的處理各生育期N2O階段排放量和全生育期累積排放量與單施化肥處理之間的差異均達到了顯著性水平，水稻全生育期內(nèi)T1處理的N2O累積排放量較CK減少了35.96%， T2處理的N2O累積排放量較CK和T1減少了89.11%、83.00%，并且單施生物有機肥對N2O的抑制效果優(yōu)于化肥和配施生物有機肥。

(2)土壤水分是影響N2O排放的重要因素，水稻全生育期內(nèi)，添加生物有機肥的處理N2O排放通量與WFPS間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系；土壤首次脫水至水稻乳熟期，各處理的N2O排放通量與WFPS間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中CK與T1處理與WFPS呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；水稻黃熟期開始后，WFPS與N2O排放通量之間無顯著相關(guān)關(guān)系。