水分管理對(duì)旱直播稻溫室氣體排放與土壤無(wú)機(jī)氮的影響

魏永霞 冀俊超 劉 慧 郭彥君 鄭衍波 石 蘊(yùn)

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院， 哈爾濱 150030； 4.北京郵電大學(xué)現(xiàn)代郵政學(xué)院， 北京 100876)

0 引言

大氣中主要的溫室氣體為CO2、CH4和N2O等，由于人類生產(chǎn)活動(dòng)使得溫室氣體含量逐年升高，全球溫室效應(yīng)越發(fā)嚴(yán)峻[1]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)的評(píng)估報(bào)告指出：?jiǎn)挝毁|(zhì)量CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)分別是CO2的25倍和298倍[2]。農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為全球溫室氣體的主要排放源，其排放量占全球總排放量的17%～32%[3]，其中水稻種植排放量占農(nóng)業(yè)溫室氣體總排放量的10.1%[4]。因此，研究稻田CH4和N2O排放規(guī)律對(duì)于減緩溫室效應(yīng)和保障糧食安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在位于黑龍江省綏化市慶安縣和平灌區(qū)的慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站(46°52′41″N，127°30′4″E)進(jìn)行。該地臨近于第二積溫帶與第三積溫帶之間，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫2.5℃，多年平均降雨量550 mm，作物水熱生長(zhǎng)期156～171 d，平均無(wú)霜期128 d。試驗(yàn)地區(qū)屬于典型寒地黑土分布區(qū)，土壤類型為白漿土型水稻土，土壤容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%，pH值6.45，飽和含水率50%。土壤基礎(chǔ)肥力(均為質(zhì)量比)為：有機(jī)質(zhì)41.8 g/kg、全氮15.06 g/kg、全磷15.23 g/kg、全鉀20.11 g/kg、速效鉀112.06 mg/kg、有效磷36.22 mg/kg和堿解氮198.29 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在有移動(dòng)式遮雨棚的有底測(cè)坑(測(cè)坑面積2 m×2 m)中進(jìn)行，共設(shè)4個(gè)處理：淹灌旱直播(YH)、濕灌旱直播(SH)、旱管旱直播(HH)和常規(guī)插秧淹灌(CK)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)測(cè)坑。水稻供試品種為龍慶稻3號(hào)。YH、SH、HH處理均采用手工穴播，于2019年5月7日播種，每穴10～12粒，穴距10 cm，行間距10 cm+26 cm+10 cm。CK處理采用人工插秧，插秧時(shí)間為5月25日，插秧密度為行距30 cm，株距13 cm。不同處理水稻各生育階段水分管理方案見(jiàn)表1。不建立水層的生育階段以根層的土壤含水率確定灌水時(shí)間和灌水量，建立水層的生育階段以水層深度為控制指標(biāo)確定灌水時(shí)間和灌水量。各處理氮肥施用量為110 kg/hm2，按照基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ时壤秊?.5∶2∶1.5∶2分施；磷肥施用量45 kg/hm2，作為基肥一次性施入；鉀肥施用量80 kg/hm2，按照基肥、促花肥比例為1∶1分施2次。2019年9月29日收獲。

表1 不同處理水稻各生育階段水分管理方案Tab.1 Water management schemes for different treatments of rice at different growth stages

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1氣體樣品采集與測(cè)定

采用人工靜態(tài)暗箱法原位采集氣體[19]，靜態(tài)箱由頂箱和不銹鋼底座兩部分組成。不銹鋼底座頂端留有寬3 cm、深3 cm的密封槽，用于采樣時(shí)與頂箱密封。頂箱由厚5 mm的有機(jī)玻璃板制成，箱外包裹1層厚2 cm的海綿及1層鋁箔，以減小采氣期間由于太陽(yáng)輻射引起的箱內(nèi)溫度變化。水稻生育前期采用的頂箱高60 cm，生育后期采用的頂箱高110 cm。頂箱側(cè)面接入采氣管，采氣管進(jìn)入箱內(nèi)20 cm，采氣管末端連接三通閥，三通閥其余兩個(gè)接頭分別連接采氣袋與醫(yī)用注射器(50 mL)。于分蘗前期(ET)、分蘗中期(MT)、分蘗末期(LT)、拔節(jié)孕穗期(JB)、抽穗開(kāi)花期(HF)和乳熟期(M)采集各處理氣體樣品。每個(gè)處理分別在0、10、20、30 min時(shí)采樣，采樣時(shí)間為10:00—11:00。

氣體濃度采用氣象色譜儀(島津GC-2010Plus型，日本)手動(dòng)進(jìn)樣測(cè)定。CH4濃度檢測(cè)時(shí)采用氫火焰離子檢測(cè)器(FID)，N2O氣體濃度檢測(cè)時(shí)采用電子捕獲檢測(cè)器(ECD)。標(biāo)準(zhǔn)氣體由大連大特氣體有限公司提供。CH4和N2O排放量計(jì)算公式為

(1)

式中F——CH4或N2O排放量，μg/(m2·h)

ρ——CH4或N2O在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度，kg/m3

h——采樣箱有效高度，m

T——采樣箱內(nèi)溫度，℃

dc/dt——采樣過(guò)程中CH4或N2O濃度變化率，μL/(m3·h)

全球變暖潛勢(shì)和氣體累積排放量計(jì)算式為

GWP=25FCH4+298FN2O

(2)

(3)

其中

FCH4=FACH4Th

(4)

FN2O=FAN2OTh

(5)

式中GWP——CH4和N2O的排放量全球變暖潛勢(shì)，kg/hm2

FCH4——水稻全生育期CH4累積排放量，kg/hm2

FN2O——水稻全生育期N2O累積排放量，kg/hm2

FACH4——水稻全生育期CH4平均排放量，mg/(m2·h)

FAN2O——水稻全生育期N2O平均排放量，μg/(m2·h)

Th——水稻全生育期總時(shí)長(zhǎng)，h

GWPy——以產(chǎn)量為基準(zhǔn)的全球變暖潛勢(shì)，kg/kg

Y——產(chǎn)量，kg/hm2

(6)

C——浸提溶液質(zhì)量濃度，mg/L

V——浸提溶液體積，mL

m——土壤質(zhì)量，g

1.3.3土壤溫度測(cè)定

所有測(cè)坑按深度5、10、15、20 cm埋設(shè)曲管地溫計(jì)(HY-1型)，地溫觀測(cè)從水稻進(jìn)入分蘗期開(kāi)始至乳熟期結(jié)束，每隔5 d觀測(cè)一次。觀測(cè)時(shí)刻為每天08:00、12:00、18:00，取其平均值作為日平均土壤溫度(深度5、10、15、20 cm土壤溫度分別以T5、T10、T15、T20表示)。

1.3.4產(chǎn)量測(cè)定

從每個(gè)測(cè)坑取9穴植株，經(jīng)晾曬風(fēng)干后測(cè)定水稻植株穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

所有指標(biāo)均采用平均值。采用Microsoft Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，用Origin 9.0進(jìn)行繪圖，用SPSS 22.0進(jìn)行顯著性分析，多重比較采用LSD法，顯著性水平取0.05，用R 4.0.3軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理CH4和N2O排放特征

2.1.1CH4排放變化特征

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的CH4是大氣中甲烷的重要來(lái)源，減少CH4排放，有助于解決全球變暖等問(wèn)題[20]。由圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)可知，不同處理稻田CH4排放量均呈倒“V”形變化趨勢(shì)。各處理在分蘗前期CH4排放量均處于較低水平，分蘗末期至抽穗開(kāi)花期，CH4排放量維持較高水平。拔節(jié)孕穗期各處理CH4排放量達(dá)到最高峰，YH、SH、HH處理分別較CK處理顯著降低43.71%、60.33%、74.89%(P<0.05)。抽穗開(kāi)花期至乳熟期，各處理稻田CH4排放逐漸減少。除乳熟期YH與CK處理CH4排放量差異不顯著(P>0.05)外，其余各生育階段旱直播處理CH4排放量均顯著低于CK處理，且處理間差異顯著(P<0.05)。各生育階段CH4排放量由大到小均依次為CK、YH、SH、HH，這表明淹水灌溉會(huì)導(dǎo)致稻田CH4排放量增加，而旱直播種植水稻有利于降低稻田CH4排放。

2.1.2N2O排放變化特征

N2O是稻田生態(tài)系統(tǒng)中一種主要的溫室氣體，在全球溫室效應(yīng)中起著重要作用[1]。不同處理N2O排放呈先增加后降低的變化趨勢(shì)(圖2)。分蘗前期各處理N2O排放處于較低水平，施加分蘗肥后，各處理在分蘗中期出現(xiàn)一個(gè)小的排放量高峰。抽穗開(kāi)花期，各處理N2O排放量達(dá)全生育期最大，YH、SH和HH處理N2O排放量分別較CK處理增加51.03、57.99、71.35 μg/(m2·h)，差異顯著(P<0.05)。各生育階段N2O排放量由大到小依次為HH、SH、YH、CK，這表明旱直播種植水稻促進(jìn)稻田N2O排放，也表明土壤含水率越低，稻田N2O釋放能力越強(qiáng)。

2.2 不同處理CH4和N2O溫室效應(yīng)

由表2可知，各處理CH4累積排放量遠(yuǎn)大于N2O累積排放量，這表明溫室氣體CH4對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于N2O。淹水灌溉處理的CH4累積排放量顯著高于田面無(wú)水層處理，與CK處理相比，YH、SH、HH處理CH4累積排放量分別降低22.23%、49.25%、71.64%。YH、SH和HH處理N2O累積排放量分別較CK處理增加1.02、1.31、1.61 kg/hm2，這表明插秧淹灌水稻有利于降低稻田N2O累積排放量。

表2 不同處理CH4與N2O累積排放量和增溫潛勢(shì)Tab.2 Cumulative emissions of CH4 and N2O, and warming potential under different treatments

CH4和N2O在100年時(shí)間尺度上，以CO2作為參考?xì)怏w(GWP=1 kg/hm2)，分別求出其排放CO2當(dāng)量，兩者求和即為全球增溫潛勢(shì)[21]。由表2可知，CK處理的GWP顯著高于其它處理，YH、SH和HH處理GWP分別較CK處理降低了6 715.58、15 166.85、22 146.43 kg/hm2，這表明旱直播種植水稻能顯著降低溫室效應(yīng)。CK處理產(chǎn)量最大，為8 160.11 kg/hm2，YH、SH和HH處理分別較CK處理顯著降低3.67%、5.49%和20.55%(P<0.05)。CK處理的GWPy最大，為3.91 kg/kg，YH、SH和HH處理分別較CK處理降低了18.16%、44.50%和61.64%，這表明YH和SH處理水稻在保證產(chǎn)量的前提下能降低稻田溫室效應(yīng)。

2.3 不同處理土壤和含量變化特征

表3 各土層和平均含量(質(zhì)量比)Tab.3 Average contents of in different soil layers mg/kg

2.4 不同處理土壤溫度變化特征

圖5為不同處理稻田5、10、15、20 cm土層土壤溫度變化。不同土層各處理土壤溫度均表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢(shì)。各土層溫度均在分蘗末期和拔節(jié)孕穗期處于較高水平，這表明氣溫對(duì)土壤溫度變化起著重要作用。在5 cm土層，SH、HH處理分蘗前期至拔節(jié)孕穗期土壤溫度均高于CK處理，說(shuō)明無(wú)水層灌溉對(duì)5 cm土層增溫效果較好。在10 cm土層，CK處理各生育階段土壤溫度均高于YH、SH、HH處理，這表明插秧水稻對(duì)10 cm土層增溫效果優(yōu)于旱直播水稻。CK、YH、SH處理10、15、20 cm土層溫度由大到小均表現(xiàn)為10、15、20 cm土層，這表明土層越深，土壤溫度越低。

2.5 相關(guān)性分析

3 討論

農(nóng)田土壤是CH4和N2O的主要排放源之一，對(duì)全球溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)巨大，稻田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，CK處理CH4排放量為21.42～67.57 mg/(m2·h)，旱直播處理CH4排放量為4.04～38.04 mg/(m2·h)，表明插秧淹灌的水稻種植方式釋放CH4能力較強(qiáng)。不同處理CH4排放峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期，這是由于在分蘗末期各處理土壤含水率較低且田面處于無(wú)水層狀態(tài)，土壤含氧量增加，土壤氧化還原電位升高，抑制土壤中厭氧產(chǎn)CH4菌活性，使得稻田CH4產(chǎn)生量降低，至拔節(jié)孕穗期各處理稻田復(fù)水，使得CH4大量釋放，這與周玲紅等[23]認(rèn)為CH4排放在齊穗期達(dá)最大值的研究結(jié)果不一致。原因可能是由于拔節(jié)孕穗期施加氮肥，使得土壤在短時(shí)間內(nèi)CH4大量排放。減少稻田溫室氣體排放的前提是不減產(chǎn)，將水稻產(chǎn)量考慮在內(nèi)的GWPy能更好地平衡農(nóng)田溫室效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益[24]。與已有研究結(jié)果[25-26]相比，本研究得出的GWP和GWPy均處于較高水平，原因可能是CH4累積排放量較高且CH4相對(duì)于CO2的當(dāng)量倍數(shù)較大，這說(shuō)明稻田溫室氣體CH4和N2O排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)比過(guò)去更加嚴(yán)重，需要尋找例如旱直播種植水稻等方式降低GWPy以達(dá)到節(jié)本減排的目的。

4 結(jié)論

(1)各處理CH4和N2O排放量均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)。與插秧淹灌水稻相比，旱直播水稻有利于降低稻田CH4排放量，但不利于降低稻田N2O排放量。各處理GWP和GWPy由大到小均表現(xiàn)為CK、YH、SH、HH，說(shuō)明旱直播水稻降低了稻田溫室效應(yīng)，減排效果顯著。