李成偉,劉章勇,龔松玲,楊偉,李紹秋,朱波*
1. 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 荊州 434200;2. 長江大學(xué)/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心,湖北 荊州 434200
CH4和 N2O是大氣中僅次于 CO2的重要溫室氣體,大氣CH4和N2O的濃度分別以每年0.6%和0.2%—0.3%的速率增長(Simpson et al.,1999)。稻田被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中重要的溫室氣體排放源之一,其CH4年排放量占全球CH4總排放的7%—17%(Stocker et al.,2013),稻田排放的N2O占農(nóng)業(yè)排放總量的29.2%(王書偉等,2021)。因此,稻田溫室氣體減排成為各界研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。
稻田CH4和N2O是碳、氮循環(huán)過程的中間產(chǎn)物,其產(chǎn)生和消耗取決于碳、氮循環(huán)產(chǎn)生的底物水平和土壤中相關(guān)微生物的活性(李海波等,2007)。中國南方稻作區(qū)水稻種植模式變化多樣,而且較為復(fù)雜。不同稻作模式間具有不同的土壤耕作、作物構(gòu)成及產(chǎn)量、水肥管理等,均對(duì)稻田碳、氮循環(huán)和土壤特性產(chǎn)生作用(Lee et al.,2010;楊通等,2020),從而影響了稻田CH4和N2O排放。近年來,關(guān)于南方雙季稻和以一季稻+冬季綠肥的輪作模式下 CH4和N2O排放已有相關(guān)研究(胡安永等,2016;伍思平等,2020)。相比于雙季稻和一季稻模式,再生稻作為一種新興的種植模式在提高水稻產(chǎn)量、減少生產(chǎn)投入方面具有優(yōu)勢(shì),正逐漸在南方稻作區(qū)發(fā)展應(yīng)用(徐小健等,2017)。尤其在一些種植一季水稻光溫資源充裕,而種植雙季稻光溫資源不足的地區(qū),發(fā)展再生稻種植方式,不僅解決勞動(dòng)力短缺的問題,同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益(呂水生,2013),對(duì)降低農(nóng)業(yè)污染和減緩溫室效應(yīng)也起到一定的效果。鄧橋江等(2019)在對(duì)湖北地區(qū)不同再生稻栽培模式下稻田溫室氣體排放和產(chǎn)量的研究中發(fā)現(xiàn),優(yōu)化再生稻種植過程中的肥料施用量、水分管理以及留茬高度等多方面因素,不僅保證了水稻的產(chǎn)量的提升,同時(shí)減緩了的稻田CH4的排放,Song et al.(2020)研究發(fā)現(xiàn)覆膜再生稻CH4和N2O的排放量要比單季稻分別高8.01%和109.92%,Qian et al.(2014)等的研究表明,再生稻相比傳統(tǒng)的雙季稻模式在溫度光照等環(huán)境適應(yīng)性、稻田溫室氣體排放、水資源合理利用和生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面有諸多優(yōu)越性,而有關(guān)稻麥、稻油等水旱輪作轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕镜臏厥覛怏w排放規(guī)律未見報(bào)道。
為探究不同稻作模式下稻田CH4和N2O排放規(guī)律以及影響因子,本研究在大田試驗(yàn)條件下,觀測(cè)稻-麥、稻-油和再生稻 3種模式周年的溫室氣體排放通量,同時(shí)測(cè)定了土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量以及相關(guān)土壤理化指標(biāo),以期揭示不同稻作模式下溫室氣體排放規(guī)律以及影響因素。
大田試驗(yàn)于 2017—2018年在湖北省江陵縣三湖農(nóng)場(30°10′—30°15′N,112°29′—112°35′E)進(jìn)行。該區(qū)為北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年均降雨量900—1100 mm,年均氣溫16.0—16.4 ℃。試驗(yàn)前為一季稻-冬閑模式,土壤為壤土,耕作層理化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì) 28.59 g·kg?1,pH 6.9,全氮 2.44 g·kg?1。
選取稻-麥(RW)、稻-油(RR)和再生稻(Rr)3種模式,采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)面積為14.30 m×7.03 m,每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù),小區(qū)周圍設(shè)寬0.40 m的田埂進(jìn)行隔離。中稻和再生稻頭季田間水分管理都采取前期淹水,中期曬田,后期干濕交替的方式,再生季水分管理主要以干濕交替為主。
RW和RR處理水稻品種為隆兩優(yōu)華占,在5月9日播種,6月4日進(jìn)行人工移載,種植密度為26 cm×17 cm,9月19日收獲。水稻全生育時(shí)期施純 N 225 kg·hm?2(基肥?分蘗肥?穗肥質(zhì)量比=4?3?3)、施 P2O575 kg·hm?2(作基肥一次施入)、施 K2O 180 kg·hm?2(基肥?穗肥質(zhì)量比=1?1)。RW 小麥品種為鄭麥9023,11月2日人工撒播,次年5月17日收獲。施基肥復(fù)合肥(N?P2O5?K2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比=16%?10%?22%)600 kg·hm?2,追施尿素 90 kg·hm?2。RR油菜品種為華油雜62,9月28日播種,11月1日移栽,種植密度為35 cm×15 cm。施基肥復(fù)合肥( N?P2O5?K2O 質(zhì) 量 分 數(shù) 比 =16%?10%?22% )600 kg·hm?2、硼肥 7.5 kg·hm?2,提苗肥尿素 75 kg·hm?2,薹肥尿素75 kg·hm?2。Rr處理水稻品種為兩優(yōu)6326,3月25日播種,5月3日移載,種植密度26 cm×17 cm,頭季稻在8月10日收獲,再生季在10月23日收獲。頭季施氮 200 kg·hm?2(基肥?分蘗肥?穗肥質(zhì)量比=5?2?3)、施 P2O575 kg·hm?2(作基肥一次施入)、施 K2O 180 kg·hm?2(基肥?穗肥質(zhì)量比=4?3);再生季施 N 150 kg·hm?2(促芽肥?提苗肥質(zhì)量比=1?1),促芽肥在頭季齊穗后10 d施入,提苗肥在頭季收獲后10 d施入。Rr處理在冬季處于休耕期,未對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)。
用人工靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定CH4和N2O排放速率:靜態(tài)箱規(guī)格為(45 cm×45 cm×100 cm),外層包裹錫箔紙防止箱內(nèi)升溫過快;底座規(guī)格為 45 cm×45 cm×20 cm,在底座上部有2 cm的深槽,采氣時(shí)注入一定的水保證箱體的密封性。在水稻移栽前,將底座安放在各小區(qū)。水稻生長季每隔一周采一次氣,在降雨、施肥后連續(xù)采樣2—3次;非水稻季每隔 15天采一次氣。采氣時(shí)間為上午 09:00—11:00,分別在0、8、16 min用50 mL注射器來回抽取箱內(nèi)氣體5次,轉(zhuǎn)入500 mL采氣袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室用Agilent 7890B氣相色譜儀測(cè)定樣品CH4和N2O濃度。其中,CH4用FID檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)定,檢測(cè)溫度為250 ℃,柱溫50 ℃;N2O用ECD檢測(cè)器測(cè)定,檢測(cè)溫度為330 ℃,柱溫50 ℃。
在采氣的同時(shí),用土溫計(jì)測(cè)定土壤溫度,用溫度計(jì)測(cè)定箱溫,同時(shí)量取水稻株高和數(shù)分蘗。采用“五點(diǎn)取樣法”在各個(gè)小區(qū)采集0—10 cm土層土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,用 2 mol·L?1KCl按照土?水質(zhì)量比=1?5進(jìn)行提取,用紫外分光光度計(jì)測(cè)定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度(王書偉等,2021)。按照土?水質(zhì)量比=1?2.5,用梅特勒便攜式pH計(jì)測(cè)定土壤pH。
在作物成熟期,每小區(qū)隨機(jī)選取長勢(shì)均勻的 3個(gè)1 m2區(qū)域進(jìn)行收割,測(cè)定產(chǎn)量。
CH4和N2O排放速率計(jì)算公式:
式中:
F——溫室氣體排放速率(N2O,μg·m?2·h?1;CH4,mg·m?2·h?1);
ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度(N2O,1.964 kg·m?3;CH4,0.714 kg·m?3);
H——采樣箱高度(m);
ΔC/Δt——單位時(shí)間靜態(tài)箱內(nèi)氣體濃度變化;
θ——靜態(tài)箱內(nèi)溫度(℃);
273——?dú)鈶B(tài)方程常數(shù)(伍思平等,2020)。
溫室氣體累計(jì)排放量的計(jì)算公式:
式中:
E——CH4或 N2O 季節(jié)總排放量(kg·hm?2);
Fn和Fn+1——第n次和第n+1次采樣時(shí)CH4或N2O 平均排放通量(mg·m?2·h?1或 μg·m?2·h?1);
tn和tn+1——第n次和第n+1次的采樣時(shí)間(d)。
全球增溫潛勢(shì)(GWP):采用IPCC推薦的計(jì)算方法,即在100 a尺度上,分別以CH4和N2O的排放量的25倍和298倍計(jì)算,得到CO2的排放當(dāng)量,相加即為溫室氣體的增溫潛勢(shì)。(鐘川等,2019)
計(jì)算公式:
式中:
NGWP——CH4和N2O的增溫潛勢(shì)之和;
ECH4、EN2O——CH4和N2O的排放量。
溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)計(jì)算公式:
式中:
RGHGI——單位產(chǎn)量上綜合溫室效應(yīng)(t·t?1);
Y——作物產(chǎn)量(t·hm?2)。
所有數(shù)據(jù)用 Excel進(jìn)行分析整理,用 Origin 2018作圖,用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),各處理比較采用最小顯著差數(shù)法(LSD),采用Pearson’s法分析各環(huán)境指標(biāo)與CH4和N2O排放量之間的相關(guān)性。CH4和N2O排放量用每次觀測(cè)所得3個(gè)重復(fù)的平均值來表示。
隨著水稻的生長,CH4的排放通量逐漸升高,之后排放量逐漸降低,成熟期排放量最低(圖1)。Rr處理CH4的排放峰主要出現(xiàn)在頭季稻返青期、分蘗期和抽穗期和再生季在孕穗期,其頭季稻和再生季 CH4的排放通量分別為 0.36—9.60 mg·m?2·h?1和0.07—2.77 mg·m?2·h?1,整季 CH4的平均排放通量為4.44 mg·m?2·h?1;RW 和 RR 處理的 CH4的排放峰主要出現(xiàn)在水稻返青期、分蘗期和抽穗期,其中中稻CH4的排放通量分別為 0.16—21.52 mg·m?2·h?1和0.09—7.09 mg·m?2·h?1。在稻季,Rr處理 CH4平均排放量要比RW處理低35.63%,而要高出RR處理75.49%。
圖1 不同稻作CH4和N2O排放通量的季節(jié)變化Figure 1 Seasonal variation of CH4 and N2O emission fluxes in different rice cropping system
在非水稻生長季RW、RR和Rr處理CH4的排放均較少,其排放量分別占全年排放總量的3.71%、12.79%和5.17%,在水稻生長季RW和RR處理CH4累計(jì)排放量分別為 164.67 kg·hm?2和 63.76 kg·hm?2,Rr處理頭季水稻CH4累計(jì)排放量為138.79 kg·hm?2,是再生季的7.08倍。整季看來,RW、RR和Rr 3個(gè)處理 CH4的季節(jié)性累計(jì)排放量范圍為 73.11—171.01 kg·hm?2(表1),RW 處理的 CH4的累計(jì)排放量最高,RR處理排放量最低,顯著低于其他兩種處理,分別比 RW、Rr處理低 57.25%、56.22%,而RW和Rr處理之間差異不顯著。
表1 不同稻作CH4和N2O季節(jié)累計(jì)排放量及年累計(jì)排放量Table 1 Seasonal and annual cumulative CH4 and N2O emissions from different rice cropping systems
3種處理生育期內(nèi)N2O的排放規(guī)律變化不一致(圖1),但都在施肥后以及曬田期出現(xiàn)N2O的排放峰,從水稻移栽到成熟收獲,N2O的排放通量呈現(xiàn)上下波動(dòng)變化。在稻季,RW和RR處理的N2O的排放通量分別為 0—411.67 μg·m?2·h?1和?9.78—394.54 μg·m?2·h?1,非水稻季 N2O 平均排放通量分別為 8.08 μg·m?2·h?1和 17.78 μg·m?2·h?1;Rr處理頭季和再生季 N2O排放通量分別為?169.45—600.20 μg·m?2·h?1和 1.18—967.89 μg·m?2·h?1,其再生季平均排放通量是頭季的1.41倍。相比較RR處理,RW和 Rr處理稻季 N2O的排放通量要分別提高了29.64%和24.22%。
由表2可知,在100年尺度下,在非水稻生長季,RW處理的全球增溫潛勢(shì)最低,較RR和Rr處理分別低49.09%和46.15%,RR和Rr處理之間差異不顯著。在水稻生長季,Rr處理的GWP要顯著高于RW和RR處理,分別高出103.23%和323.13%,RR處理的GWP最低,且顯著低于RW和Rr處理。整季看來,以RR處理的全球增溫潛勢(shì)最低,顯著低于其他處理,分別較RW和Rr處理低45.05%和72.85%。從溫室氣體排放強(qiáng)度來看,周年RR處理的溫室氣體排放強(qiáng)度要顯著低于RW和Rr處理,分別低35.14%和63.64%,Rr處理的GHGI最高。
表2 不同種植方式下CH4和N2O的綜合增溫效應(yīng)以及溫室氣體排放強(qiáng)度Table 2 Comprehensive warming effect of CH4 and N2O and greenhouse gas emission intensity under different planting methods
3種處理硝態(tài)氮在水稻生長季的變化規(guī)律一致,RW和RR處理硝態(tài)氮的變化范圍分別為1.9—9.5 mg·kg?1和 2.4—36.3 mg·kg?1,在抽穗期達(dá)到峰值,Rr處理頭季稻硝態(tài)氮的變化范圍為 1.9—14.0 mg·kg?1,平均值為 3.7 mg·kg?1;RW 和 RR 處理的銨態(tài)氮變化趨勢(shì)基本一致,在平均值 13.9 mg·kg?1附近上下波動(dòng),Rr處理的銨態(tài)氮含量在整個(gè)生育時(shí)期都要高于RW和RR處理(圖2)。RW、RR和Rr處理的土溫在水稻生育期內(nèi)呈現(xiàn)相似的變化,均在8月初達(dá)到峰值,分別為30.9、31.8和31.9 ℃;3種處理 pH值的變化在生育期也有相同的趨勢(shì)變化,在水稻生長初期,土壤pH呈酸性,隨著水稻的生長,在生育后期土壤呈中性或偏堿性。
相關(guān)性分析(表3)表明,中稻處理的CH4的排放通量與銨態(tài)氮的含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與硝態(tài)氮不存在顯著相關(guān)性(P>0.05),再生稻處理CH4的排放通量與硝態(tài)氮含量和土壤pH呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05或P<0.01),而與銨態(tài)氮含量不顯著相關(guān)(P>0.05);中稻處理的N2O的排放通量與土溫和土壤pH存在負(fù)相關(guān),再生稻處理N2O的排放通量與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與土溫和 pH呈正相關(guān),差異不顯著(P>0.05)。
表3 稻季CH4和N2O與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性Table 3 Correlation between CH4 and N2O in rice season and soil physicochemical properties
施肥、土溫、田間水分管理和種植模式等因素對(duì)稻田CH4的排放產(chǎn)生一定影響(劉威,2015)。胡安永等(2016)研究表明,小麥-水稻輪作模式下在移栽至有效分蘗期的CH4累積排放量最大,顯著大于休閑-水稻輪作。本研究3種處理的稻季CH4的排放都有一定的規(guī)律,水稻季CH4的排放主要集中在返青期、分蘗期和抽穗期以及再生稻再生季的孕穗期(圖1),這可能與作物的生長發(fā)育、田間水分管理和水稻品種差異有關(guān)。長期淹水條件下,土壤的氧化還原電位降低,為土壤產(chǎn)CH4菌提供了適宜的生長環(huán)境,從而造成了CH4的大量排放(周玲紅等,2018);也可能是在水稻分蘗期,水稻植株生長旺盛,作物的呼吸作用逐漸增強(qiáng),大量的CH4通過植株排放到大氣中,在水稻的孕穗抽穗期,水稻根系發(fā)達(dá),根系分泌物數(shù)量增加,為稻田CH4的產(chǎn)生提供了大量的反應(yīng)底物(袁偉玲等,2008)。
本研究結(jié)果顯示,在非稻季RW、RR和Rr處理的CH4的平均排放通量均較低,分別為0.14、0.20和 0.47 mg·m?2·h?1,可能原因在于非水稻季田間水分管理為自然落干,CH4氧化菌占據(jù)主要地位,產(chǎn)生的 CH4被氧化成 CO2釋放到大氣中(廖萍等,2018)。再生稻再生季 CH4的排放量占整季的11.73%,可能由于再生季生育期僅有76 d,且減少水稻分蘗過程排放的CH4,同時(shí)在水稻期內(nèi)pH逐漸增大,再生稻CH4的排放量與pH呈負(fù)相關(guān)(表3),降低了CH4的排放。再生季期間采用間歇灌溉的方法,間歇灌溉也顯著降低稻田CH4的排放(王孟雪等,2016)。本研究表明,RW處理的CH4的排放量最大,比RR處理高出133.91%,與Rr處理差異不顯著,可能是由于小麥?zhǔn)斋@后仍有 15—20 cm的小麥根茬留在田里,直接翻耕還田后補(bǔ)充了稻田土壤有機(jī)物含量,為產(chǎn) CH4菌提供了大量的反應(yīng)底物和基質(zhì)(胡安永等,2016)。相比較Rr處理,RW處理的CH4排放量提高14.2%,而RR處理 CH4的排放量降低 57.8%,這與 Yao et al.(2013)的研究一致。可能由于水旱輪作下稻田土壤NH4+-N含量與CH4排放量顯著正相關(guān)(表3),產(chǎn) CH4菌以銨態(tài)氮為氮源,外源無機(jī)氮的輸入提高了產(chǎn) CH4菌繁殖所需要底物的有效性,會(huì)加快產(chǎn)CH4菌的生理活動(dòng)。
作物種類、田間水分管理以及施肥措施等同樣對(duì)稻田N2O的排放的產(chǎn)生一定影響(劉威,2015)。張?jiān)婪嫉龋?013)研究表明稻田旱作季CH4和N2O的平均排放通量表現(xiàn)為冬小麥處理最大,且顯著的增加稻田旱作季總增溫潛勢(shì),這與本研究的結(jié)果一致。本研究中,在水稻生長季,RW和RR處理在施用分蘗肥后出現(xiàn) N2O的排放峰,分別為 382.08 μg·m?2·h?1和 224.82 μg·m?2·h?1,這可能是外源氮肥的施用短時(shí)間內(nèi)增加了土壤NH4+-N含量,其NH4+-N 含量分別為 22.52 mg·kg?1和 18.17 mg·kg?1(圖2),為土壤的硝化和反硝化的作用提供了更多了反應(yīng)底物(Wang et al.,2019),且土壤N2O的排放與NH4+-N呈正相關(guān)(表3),直接促進(jìn)稻田的N2O的排放,在水稻生育期的其他時(shí)間,N2O的排放通量變化不大。與RR處理相比,RW處理提高了稻季N2O累計(jì)排放量,增加了34.89%,這可能是因?yàn)椴煌亩咀魑锔邕€田的質(zhì)量和數(shù)量不同。3種處理中N2O累計(jì)排放量表現(xiàn)為Rr>RW>RR,以稻油處理最低,油菜通常也被作為一種綠色培肥植物,其C/N比較高,作物秸稈歸還土壤后,促進(jìn)土壤微生物的固氮作用,把土壤中氮素更多的固定起來,從而減少了N2O產(chǎn)生所需的底物,因此減少了N2O的排放量(Song et al.,2020);RR處理油菜季N2O的排放量高于RW處理,其對(duì)整個(gè)輪作周期的貢獻(xiàn)率為22.39%,這與陳友德等(2020)的研究結(jié)果接近,這可能是由于油菜生長季施氮多,使土壤含氮量高,促進(jìn)硝化和反硝化作用,從而提高了N2O的排放量,也可能與油菜的品種和自身的生長特點(diǎn)有關(guān)(馬艷芹等,2016)。Rr處理頭季N2O的累計(jì)排放量要占水稻季N2O排放量57.62%,比再生季增加了35.99%,由于再生稻頭季施肥量(200 kg·hm?2)比再生季(150 kg·hm?2)多,且再生季生育期短,頭季氮肥的施用和水分管理是再生稻獲得高產(chǎn)的重要措施,,同時(shí)為土壤硝化和反硝化作用提供了充足的底物,進(jìn)而促進(jìn)N2O的排放(王天宇等,2021),也可能與土壤溫度升高有關(guān)(圖2),在一定的溫度范圍內(nèi),土壤N2O的排放速率隨著土溫的升高而增加(表3),這與Wrage et al.(2001)研究一致。
本研究中,3種處理下的全球增溫潛勢(shì)以Rr處理最大,RW次之,RR處理的GWP最小。可能是由于Rr處理水稻生育期最長,施肥量最多,田間長期處于淹水條件下,從而增加稻田溫室氣體的排放。已有研究表明種植不同的冬季作物對(duì)GWP會(huì)產(chǎn)生影響,這與鐘川等(2019)的研究一致。本研究下,RR處理GHGI顯著低于Rr,但和RW處理差異不顯著。這與RR處理稻季CH4的排放量較低有關(guān),油菜根茬翻耕還田量少,且施用氮肥多,盡管油菜秸稈常作為一種高C/N比的綠肥還田,但其腐殖化程度低,為下一季提供有機(jī)物的能力較弱,減少了CH4產(chǎn)生的反應(yīng)底物(王書偉等,2021),關(guān)于這方面的原因?qū)⒃诮窈笤囼?yàn)中進(jìn)一步研究。
不同的種植模式對(duì)農(nóng)田 CH4和N2O的排放都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,且主要集中在水稻季。由傳統(tǒng)稻麥、稻油向再生稻轉(zhuǎn)變過程中發(fā)現(xiàn),稻油輪作模式能顯著減少稻季CH4的排放量,同時(shí)冬季作物油菜的種植也降低了稻季N2O的排放量。 相比較RW處理,再生稻的種植能降低CH4的排放量,但顯著增加N2O的排放量。不同稻作周年增溫潛勢(shì)表現(xiàn)為Rr>RW>RR,以Rr處理最高,比RW和RR處理分別高103.23%和323.13%,從整季作物的產(chǎn)量來看,Rr處理產(chǎn)量最高,但是其GHGI也最高,RR和RW處理產(chǎn)量差異不顯著,但RR處理的GHGI最低。因此,在充分利用冬閑田的條件下,RR模式不僅保證水稻產(chǎn)量的提升,還有利于減緩全球溫室氣體的排放,是一種值得推薦的輪作模式。