馬晨蕾,裴自偉,李伏生
(廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,廣西 南寧 530005)
甲烷(CH4)是一種主要的溫室氣體,稻田CH4排放量占全球溫室氣體總產(chǎn)生量的19%[1]。合理的灌溉和施肥等管理技術(shù)對稻田CH4減排有重要作用。目前稻田節(jié)水灌溉方式有“薄淺濕曬”灌溉、干濕交替灌溉等,干濕交替灌溉稻田的CH4排放量較常規(guī)灌溉和“薄淺濕曬”灌溉低[2]。與常規(guī)灌溉相比,“薄淺濕曬”灌溉可使稻田CH4排放量顯著減少12.6%~44.9%[3],干濕交替灌溉可使稻田CH4累積排放量顯著降低37%[4]。施氮量也會(huì)影響稻田CH4排放[5],但是施氮量對稻田CH4排放量影響的研究結(jié)果不一致。有研究表明,相對于不施氮肥,高無機(jī)氮處理 (249 kg·hm?2)稻田CH4排放量降低15%[6];但也有研究發(fā)現(xiàn),隨著尿素用量的增加,稻田CH4排放量隨之增加[5]。除了施氮量,不同生育時(shí)期施氮比例也會(huì)影響稻田CH4排放,基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥施氮比例為4.5∶2∶1.5∶2的稻田CH4排放量低于施氮比例為5∶2.5∶1∶1.5 和 4∶2∶2∶2 的[7]。不同灌溉方式及施氮量條件下,土壤易氧化有機(jī)碳、微生物量碳以及甲烷氧化菌可直接影響稻田CH4排放[2],且稻田CH4排放通量與土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量呈正相關(guān)關(guān)系[8],而甲烷氧化菌則會(huì)降低稻田CH4排放量[9]。本研究通過3種灌溉方式和3種氮肥處理(氮肥用量與基、追肥比例結(jié)合)早、晚稻田間試驗(yàn),研究雙季稻不同生育期稻田CH4排放通量、土壤有機(jī)碳組分含量以及甲烷氧化菌數(shù)量的變化,分析稻田CH4排放通量與土壤有機(jī)碳組分含量和甲烷氧化菌數(shù)量之間的關(guān)系,以期獲得稻田CH4減排的水氮管理模式,并揭示土壤有機(jī)碳組分含量和甲烷氧化菌數(shù)量對稻田CH4排放通量的影響規(guī)律。
2016年7月至2017年7月在南寧市灌溉試驗(yàn)站 (N22°52′58.33″,E108°17′38.86″)進(jìn)行雙季稻大田試驗(yàn)。試驗(yàn)所用土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土,土壤理化特征如下:飽和含水率49.2%,容重1.2 g·cm?3,有機(jī)碳 26.9 g·kg?1,全氮 1.3 g·kg?1,堿解氮 113.6 mg·kg?1,有效磷 50.0 mg·kg?1,速效鉀110.6 mg·kg?1,pH 7.6。試驗(yàn)期間早稻在分蘗期、孕穗期、乳熟期和成熟期的降雨量分別為186.3、83.0、97.7和 222.3 mm,晚稻分別為 619.2、6.4、81.0和7.8 mm。早稻和晚稻品種均為‘內(nèi) 5 優(yōu) 8 015’,為廣西本地優(yōu)良三系雜交水稻品種。
試驗(yàn)設(shè)3種灌溉方式和3種氮肥處理,完全隨機(jī)設(shè)計(jì),共9個(gè)處理。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)小區(qū),共27個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積25 m2,小區(qū)之間用25 cm厚紅磚水泥墻隔離分開,以保證小區(qū)之間水分相互不側(cè)滲和各小區(qū)獨(dú)立灌排水,并安裝水表記錄每次灌溉量。
3種灌溉方式包括常規(guī)灌溉、“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉。常規(guī)灌溉是在移栽返青期以及分蘗期到乳熟期田間均保持20~30 mm水層,但分蘗后期和成熟期僅保持土壤濕潤?!氨\濕曬”灌溉在移栽返青期保持20~40 mm水層,分蘗前期僅保持土壤濕潤,分蘗后期由濕潤狀態(tài)自然落干至土壤干燥狀態(tài)并繼續(xù)曬田,孕穗期及乳熟期僅保持10 mm左右水層,成熟期曬田。干濕交替灌溉是在各小區(qū)均安裝TEN45水分張力計(jì)(南京土壤儀器公司)監(jiān)測土壤水勢的變化,移栽后10 d內(nèi)田間保持10~20 mm水層,7 d后進(jìn)行干濕交替灌溉,即當(dāng)土壤水勢為?15 kPa時(shí),灌溉 20 mm,再自然落干至土壤水勢為?15 kPa,再灌溉 20 mm,如此循環(huán),至水稻成熟。詳細(xì)水分控制方法見本研究的前期工作報(bào)道[2, 10]。
3 種施氮處理包括 N1:120 kg·hm?2氮 (20% 基肥 80% 追肥),N2:120 kg·hm?2氮 (50% 基肥50% 追肥),N3:90 kg·hm?2氮 (50% 基肥 50% 追肥)。所用肥料為:尿素(氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)、過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%)和氯化鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%)。各處理 P2O5用量為 60 kg·hm?2,K2O 用量為 120 kg·hm?2,其中,全部過磷酸鈣和50%氯化鉀作基肥,在插秧前1 d耕地時(shí)施入土壤中,余下的50%氯化鉀分別以分蘗肥和穗肥均按25%的比例施入土壤中。
晚稻試驗(yàn)于2016年7月4日播種,8月1日選取長勢均勻的秧苗單株栽培,株行距為20 cm×20 cm,8月16日施分蘗肥,9月13日開始曬田,9月22日復(fù)水后施穗肥,11月8日收割。生育期內(nèi)“薄淺濕曬”灌溉、干濕交替灌溉和常規(guī)灌溉平均灌溉量分別為157.8、130.8和227.9 mm。整個(gè)生育期為 99 d。
早稻試驗(yàn)于2017年3月10日播種,4月12日選取長勢均勻的秧苗單株栽培,株行距為20 cm×20 cm,4月16日施分蘗肥,5月27日開始曬田,6月3日復(fù)水后施穗肥,7月18日收割。生育期內(nèi)“薄淺濕曬”灌溉、干濕交替灌溉和常規(guī)灌溉平均灌溉量分別為107.3、79.6和157.4 mm。整個(gè)生育期為 95 d。
分別于晚稻移栽后37(分蘗期)、63(孕穗期)、77(乳熟期)和 98 d(成熟期),早稻移栽后 24(分蘗期)、64(孕穗期)、74(乳熟期)和 94 d(成熟期)用靜態(tài)箱法采集稻田CH4氣體[11]。稻田CH4排放通量的測定用Agilent 7890A氣相色譜儀(美國安捷倫科技有限公司),檢測器為氫火焰離子檢測器(FID),采用填充柱,當(dāng)檢測器溫度升至350 ℃且基線平穩(wěn)時(shí),開始測樣。CH4通量的計(jì)算參考王明星[11]的方法。
在晚稻和早稻各生育期采集稻田CH4,同時(shí)在各小區(qū)按五點(diǎn)法采集0~20 cm耕層土壤樣品,測定土壤微生物量碳、可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量和甲烷氧化菌數(shù)量。
微生物量碳含量測定用氯仿熏蒸–硫酸鉀浸提法–總有機(jī)碳法[12],可溶性有機(jī)碳含量測定用無氯仿熏蒸–硫酸鉀浸提–總有機(jī)碳法[13],易氧化有機(jī)碳含量測定用高錳酸鉀氧化–分光光度計(jì)法[14],甲烷氧化菌數(shù)量測定用培養(yǎng)基–滾管法[15]。
數(shù)據(jù)整理和分析采用DPS 12.26和ExceL 2003軟件,結(jié)果用3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。用Duncan’s多重比較法分析各處理指標(biāo)間的差異顯著性(P<0.05),將稻田CH4排放通量與土壤有機(jī)碳組分含量和甲烷氧化菌數(shù)量進(jìn)行相關(guān)性分析。
不同處理下雙季稻田CH4排放通量隨生育期的變化如圖1所示,CH4排放通量在分蘗期較高,在孕穗期和乳熟期較低,在成熟期幾乎為0。3種灌溉方式下,CH4在晚稻分蘗期集中排放,不同氮肥處理間CH4排放通量為N1>N2>N3。N3處理下,干濕交替灌溉稻田CH4排放通量在晚稻分蘗期、孕穗期和乳熟期較常規(guī)灌溉分別降低53.5%、99.4%和99.2%,在早稻分蘗期、孕穗期和乳熟期較常規(guī)灌溉分別降低19.9%、29.2%和63.9%。從圖1可看出,在N1、N2和N3處理下,干濕交替灌溉雙季稻田CH4排放通量均低于“薄淺濕曬”灌溉和常規(guī)灌溉,而在相同灌溉方式下,N3處理稻田CH4排放通量較N1、N2降低;因此,干濕交替灌溉N3處理稻田CH4排放通量最低。
圖 1 不同處理各生育期雙季稻田CH4排放通量Fig.1 CH4 emission fluxes from double-cropping paddy field at each growth stage in different treatments
由表1可知,不同處理下雙季稻田整個(gè)生育期土壤微生物量碳在 0.08~0.23 g·kg?1范圍內(nèi)變化,以乳熟期較高。在“薄淺濕曬”灌溉下,晚稻分蘗期、孕穗期和乳熟期以及早稻4個(gè)生育期N2處理土壤微生物量碳均較高于N1和N3處理。干濕交替灌溉下,晚稻孕穗期和成熟期以及早稻4個(gè)生育時(shí)期N2處理土壤微生物量碳均高于N1和N3處理,其中早稻孕穗期、乳熟期和成熟期N2處理較N1處理分別增加23.5%、27.8%和20.0%,早稻孕穗期和乳熟期N2處理較N3處理分別增加23.5%和27.8%。常規(guī)灌溉下,晚稻土壤微生物量碳在分蘗期、孕穗期和乳熟期以N2處理較高,乳熟期N2處理較N1和N3處理均增加21.0%。早稻分蘗期、乳熟期和成熟期N2處理均高于N1和N3處理,其中乳熟期和成熟期較N1處理分別增加50.0%和75.0%,成熟期較N3處理增加27.3%。3種氮肥處理下,常規(guī)灌溉早稻土壤微生物量碳均低于“薄淺濕曬”灌溉及干濕交替灌溉。因此在相同灌溉方式下,N2處理稻田土壤微生物量碳高于N1和N3處理;在相同氮肥處理下,常規(guī)灌溉早稻土壤微生物量碳低于“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉。
表 1 不同處理各生育期土壤微生物量碳含量1)Table 1 Soil microbial biomass carbon contents at each growth stage in different treatments w/(g·kg?1)
由表2可知,不同處理雙季稻田整個(gè)生育期土壤可溶性有機(jī)碳含量在 45.6~106.3 mg·kg?1范圍內(nèi)變化?!氨\濕曬”灌溉下,晚稻4個(gè)生育期及早稻孕穗期、乳熟期和成熟期N3處理土壤可溶性有機(jī)碳含量均大于N1和N2處理,其中晚稻乳熟期N3處理較N1和N2處理分別增加23.8%和22.5%。干濕交替灌溉下,晚稻分蘗期、乳熟期和成熟期N3處理土壤可溶性有機(jī)碳含量較N1處理分別增加12.0%、12.6%和13.3%,同時(shí)較N2處理分別增加12.9%、18.0%和11.8%;早稻乳熟期和成熟期N3處理土壤可溶性有機(jī)碳含量較N1處理分別增加36.2%和42.1%,較N2處理分別增加25.4%和36.4%。常規(guī)灌溉方式下,晚稻乳熟期和成熟期N3處理土壤可溶性有機(jī)碳含量較N1處理分別增加9.6%和21.3%,乳熟期較N1、N2處理分別增加9.6%和6.6%。在3種氮肥處理下,不同灌溉方式對稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量影響順序?yàn)楦蓾窠惶婀喔?“薄淺濕曬”灌溉>常規(guī)灌溉,早稻田在分蘗期及孕穗期以干濕交替灌溉土壤可溶性有機(jī)碳含量最高,在乳熟期及成熟期以“薄淺濕曬”灌溉土壤可溶性有機(jī)碳含量最高。因此,相同灌溉方式下,雙季稻田N3處理土壤可溶性有機(jī)碳含量均大于N1和N2處理;相同氮肥處理下,干濕交替灌溉土壤可溶性有機(jī)碳含量較高。
表 2 不同處理各生育期土壤可溶性有機(jī)碳含量Table 2 Soil soluble organic carbon contents at each growth stage in different treatments
由表3可以看出,不同處理晚稻田土壤易氧化有機(jī)碳含量在 1.08~7.10 g·kg?1范圍內(nèi)變化。N1 處理下,晚稻分蘗期和孕穗期以及早稻分蘗期、孕穗期和成熟期常規(guī)灌溉土壤易氧化有機(jī)碳含量均大于“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉;常規(guī)灌溉土壤易氧化有機(jī)碳含量在早稻孕穗期較“薄淺濕曬”灌溉增加47.7%,在成熟期較“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉方式分別增加93.5%和61.3%。N2處理下,除晚稻乳熟期外,常規(guī)灌溉雙季稻各生育期土壤易氧化有機(jī)碳含量均大于“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉;常規(guī)灌溉土壤易氧化有機(jī)碳含量在晚稻孕穗期和成熟期較“薄淺濕曬”灌溉分別增加50.2%和34.5%,在早稻乳熟期增加27.1%。N3處理下,常規(guī)灌溉土壤易氧化有機(jī)碳含量在早稻分蘗期較干濕交替灌溉增加115.9%,在早稻孕穗期較“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉分別增加38.8%和40.9%;在“薄淺濕曬”和干濕交替灌溉下,不同氮肥處理之間土壤易氧化有機(jī)碳含量沒有明顯變化規(guī)律,在常規(guī)灌溉下,除早稻孕穗期、乳熟期及成熟期外,土壤易氧化有機(jī)碳含量均是N2>N1>N3。因此,相同氮肥處理下,常規(guī)灌溉土壤易氧化有機(jī)碳含量較“薄淺濕曬”灌溉和干濕交替灌溉增加。
表 3 不同處理各生育期土壤易氧化有機(jī)碳含量Table 3 Soil readily oxidizable organic carbon contents at each growth stage in different treatments w/(g·kg?1)
如圖2所示,不同處理晚稻各生育期土壤甲烷氧化菌數(shù)量變化范圍為1.64×106~12.98×106cfu·g?1,早稻為 1.63×106~23.50×106cfu·g?1。在N1處理下,常規(guī)灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量在晚稻成熟期以及早稻孕穗期、乳熟期和成熟期均大于干濕交替灌溉和“薄淺濕曬”灌溉。在N3處理下,常規(guī)灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量在早稻孕穗期和乳熟期較“薄淺濕曬”灌溉分別增加419.2%和457.8%。在N2處理下,干濕交替灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量在雙季稻4個(gè)生育期均低于“薄淺濕曬”灌溉和常規(guī)灌溉,在晚稻分蘗期較“薄淺濕曬”灌溉方式減少76.0%,在孕穗期和乳熟期較常規(guī)灌溉方式分別減少77.2%和77.3%;在早稻分蘗期較“薄淺濕曬”灌溉減少76.6%,在孕穗期、乳熟期和成熟期較常規(guī)灌溉方式分別減少87.7%、86.2%和57.9%。在N1處理下,“薄淺濕曬”灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量在晚稻分蘗期、孕穗期和乳熟期均大于干濕交替灌溉和常規(guī)灌溉,其中在孕穗期較干濕交替灌溉方式增加136.5%;在早稻分蘗期和乳熟期也較干濕交替灌溉和常規(guī)灌溉大。在3種灌溉方式下,3種氮肥處理土壤甲烷氧化菌數(shù)量沒有明顯變化規(guī)律。因此,相同氮肥處理下,干濕交替灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量較“薄淺濕曬”灌溉和常規(guī)灌溉低。
圖 2 不同處理各生育期土壤甲烷氧化菌數(shù)量Fig.2 Soil methane oxidizing bacteria population amounts at each growth stage in different treatments
由表4可知,晚稻田CH4排放通量與土壤可溶性有機(jī)碳含量之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.55,P<0.01),早稻田CH4排放通量與土壤可溶性有機(jī)碳和土壤易氧化有機(jī)碳含量之間呈顯著正相關(guān),雙季稻田CH4排放通量與土壤微生物量碳和甲烷氧化菌數(shù)量之間的關(guān)系均不顯著;因此,土壤可溶性有機(jī)碳是影響稻田CH4排放通量的主要因素。
表 4 雙季稻田CH4排放通量與土壤有機(jī)碳組分和甲烷氧化菌相關(guān)性分析1)Table 4 Correlation analyses of CH4 emission flux with soil organic carbon fraction and methane oxidizing bacteria
在水稻整個(gè)生育期內(nèi)稻田CH4集中在分蘗期排放,原因可能是在水稻生長初期,剛淹水后土壤中的有機(jī)質(zhì)劇烈分解,導(dǎo)致土壤中有較多的CH4產(chǎn)生[12],而后期隨著有效氮素的消耗減少,微生物缺乏基質(zhì)和能源使稻田CH4排放減少。有研究認(rèn)為,水層深度和CH4排放通量有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,水層深度通過影響厭氧環(huán)境和水溫水量控制水稻根系和根系分泌物數(shù)量,而這些物質(zhì)將為CH4產(chǎn)生提供底物[16]。
相同氮肥處理下,相對于干濕交替灌溉,常規(guī)灌溉和“薄淺濕曬”灌溉稻田CH4排放通量降低時(shí)間較晚;是因?yàn)楦蓾窠惶婀喔绕茐耐寥喇a(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境,CH4產(chǎn)生土層隨水分降低而下降,待重新灌溉后需一段時(shí)間恢復(fù)[17],而且干濕交替灌溉灌溉頻率較低,導(dǎo)致稻田CH4排放通量降低時(shí)間較早。成熟期土壤中CH4的產(chǎn)生可能與根系滲出物和根系的腐爛有關(guān)[17]。
氮肥施入增加土壤中氮素有效性,會(huì)相應(yīng)地提高產(chǎn)甲烷菌所需有機(jī)底物有效性,使得產(chǎn)甲烷菌有較多可利用底物,增加CH4排放量[18]。總體來說,在相同灌溉方式下,N3處理稻田CH4排放通量較N1和N2處理低,可能是因?yàn)镹1和N2處理能刺激更多微生物生長繁殖,改變土壤有機(jī)質(zhì)含量,增加根系分泌物數(shù)量等,為CH4生成提供底物[19]。但有研究表明施入尿素使稻田CH4排放通量減少[20],可能與稻田土壤理化性質(zhì)有關(guān),因?yàn)榈偷皆鍪┑蚀碳ね寥烙袡C(jī)底物生成,高氮會(huì)形成長期氮肥輸入,增加土壤酸度,抑制微生物活性和CH4的產(chǎn)生[21]。
不同灌溉、氮肥處理下土壤微生物量碳含量在分蘗期較低,在孕穗期較高,之后降低,與Banerjee等[22]在單施氮、磷、鉀肥處理的結(jié)果一致。相同灌溉方式下,N2處理土壤微生物量碳較N3高,史登林等[23]在減量施氮40%條件下有相似的結(jié)果;這是因?yàn)樵鍪┑士梢詾橥寥牢⑸锾峁I養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)其生長,進(jìn)而增加土壤微生物量碳含量[24]。
3種灌溉方式和3種氮肥處理下,雙季稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量在分蘗期、孕穗期及乳熟期沒有明顯差異,但是在成熟期均減少;原因可能是土壤可溶性有機(jī)碳是土壤中微生物生活的重要物質(zhì)及能量來源,當(dāng)水稻生長前期淹水灌溉時(shí),土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)分解,導(dǎo)致土壤可溶性有機(jī)碳含量升高,從而微生物數(shù)量增多,相應(yīng)所需的土壤可溶性有機(jī)碳更多,土壤可溶性有機(jī)碳含量減少,因而形成一個(gè)穩(wěn)定的體系[25]。在成熟期,追施氮肥較多,再加上甲烷氧化菌呼吸作用增強(qiáng),充分利用剩余碳素,使土壤可溶性有機(jī)碳相對減少。相同灌溉方式下,N3處理雙季稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量大于N1及N2處理,說明相同灌溉方式下,低氮較高氮更有利于提高稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量,這與前人在減量施氮40%處理下得到的結(jié)果相似[23]。相同施氮處理下,雖然不同灌溉方式的稻田土壤可溶性碳含量在不同生育期內(nèi)有波動(dòng),但總體上以干濕交替灌溉較高。
N1處理干濕交替灌溉晚稻田土壤易氧化有機(jī)碳含量較少,可能是因?yàn)楦蓾窠惶婀喔韧寥劳ㄍ感愿?,微生物活性增?qiáng),加之易分解,所以含量較少[26]。N2處理常規(guī)灌溉土壤易氧化有機(jī)碳含量較高,可能是因?yàn)槌R?guī)灌溉使微生物活性減弱,土壤易氧化有機(jī)碳被利用量減少,從而為土壤易氧化有機(jī)碳的移動(dòng)提供便利條件。
土壤可溶性有機(jī)碳含量和稻田CH4排放通量有相同的變化趨勢,因此,雙季稻田CH4排放通量與土壤可溶性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān),表明稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量的高低可以間接反映稻田CH4排放量大小。
干濕交替灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量較“薄淺濕曬”灌溉和常規(guī)灌溉少,原因可能是干濕交替灌溉土壤環(huán)境不適合甲烷氧化菌生存。N1和N2處理下,總體上“薄淺濕曬”灌溉土壤甲烷氧化菌數(shù)量較大,因?yàn)椤氨\濕曬”灌溉不僅滿足稻田水分需求,且比常規(guī)灌溉有良好的土壤通氣性,有利于土壤甲烷氧化菌的生存[26]。但也有研究表明CH4氧化過程也可能在厭氧環(huán)境中,是產(chǎn)CH4過程的逆向代謝[27]。
晚稻分蘗期 N3(90 kg·hm?2氮,50% 基肥和50%追肥)處理干濕交替灌溉稻田CH4排放通量較其他灌溉方式低,而土壤可溶性有機(jī)碳含量較其他灌溉方式高。雙季稻田CH4排放通量僅與土壤可溶性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān),其中,晚稻田相關(guān)系數(shù)為0.55,早稻田相關(guān)系數(shù)為0.34。因此,土壤可溶性有機(jī)碳含量顯著影響雙季稻田CH4排放通量,且在供試土壤和栽培管理?xiàng)l件下,干濕交替灌溉N3處理稻田CH4排放通量較低。