不同秸稈還田量對上海地區(qū)稻田甲烷排放的影響

朱雅婷,倪遠之,張 敏,王振旗,沈根祥,*,黃 娜,3

(1.華東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海 200237; 2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護新型污染物環(huán)境健康影響評價重點實驗室,國家環(huán)境保護城市大氣復(fù)合污染成因與防治重點實驗室,上海 200233; 3.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200051)

人為源溫室氣體的大量排放是引起當(dāng)前全球氣候變化的重要原因。在我國提出“力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和”“雙碳”目標的背景下,如何減少人為源溫室氣體排放,成為當(dāng)前研究的熱點。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是重要的溫室氣體排放源,約占我國人為源溫室氣體排放總量的13.5%[1]。人為排放的甲烷(CH4)中,有40%來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[2],其中,稻田CH4排放量占農(nóng)業(yè)源CH4排放總量的54.96%[3],這與秸稈還田利用情況密切相關(guān)。Samoura[4]研究發(fā)現(xiàn),受淹水厭氧條件影響,秸稈全量還田與秸稈不還田相比,早稻和晚稻的CH4排放量分別可增加13.9%和20.3%;郭子艷[5]研究了不同秸稈還田條件下稻田的CH4排放,指出秸稈全量還田下CH4累積排放量較不還田增加了12.5%～23.1%。

長江三角洲是我國重要的水稻生產(chǎn)區(qū),水稻產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)的22%[6],近年來逐步形成了機械化還田和離田化利用并舉的秸稈利用格局,但在本研究檢索范圍內(nèi),還鮮見基于長三角一體化示范區(qū)氣候背景下有關(guān)秸稈離田利用對稻田CH4排放影響的報道。

針對稻田生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放和種植業(yè)CH4減排效果,國內(nèi)外學(xué)者普遍采用靜態(tài)箱-氣相色譜法開展監(jiān)測研究工作。黃明蔚[7]研究發(fā)現(xiàn),施肥下稻田CH4排放量為不施肥的1.4倍左右;張鮮鮮[8]針對氮肥減量下CH4排放的田間監(jiān)測結(jié)果表明,稻田CH4累積排放量為5.37～5.90 kg·hm-2;侯玉蘭[9]監(jiān)測稻麥輪作模式下水稻生長季和休耕期的CH4排放發(fā)現(xiàn),不同光照條件下,稻田CH4排放量為85.6～128.6 kg·hm-2。但是,這種手工監(jiān)測方法的氣樣采集頻率較低,測得的氣體濃度僅代表采樣時間段的數(shù)值,不具有連續(xù)性,在一定程度上影響了稻田CH4排放值的精準估算。

考慮到秸稈離田利用具備的稻田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排潛力,以及在減緩氣候變化和實現(xiàn)“雙碳”目標方面的意義,本研究針對傳統(tǒng)手工監(jiān)測CH4濃度不具連續(xù)性的問題,以上海市青浦區(qū)稻田為研究對象,利用PICARRO G2508溫室氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)(美國PICARRO),對不同秸稈還田量下的稻田CH4排放規(guī)律進行監(jiān)測,明確上海市稻田CH4本地化排放系數(shù),以期為科學(xué)評估長三角整體的稻田CH4減排潛力和進一步完善稻田CH4減排技術(shù)體系提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

監(jiān)測田位于上海市環(huán)境科學(xué)研究院與上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)合作共建的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護綜合試驗基地(30°57′48″N,121°01′35″E),地處長江下游平原河網(wǎng)地區(qū),屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候濕潤,日照充足,四季分明,雨水充沛,年均氣溫約為17.9 ℃,年均降水量約1 554.6 mm。試驗周期為2021年5—10月。供試水稻品種為青香軟粳,采用傳統(tǒng)的“淹水—中期烤田—復(fù)水”水分管理模式,于2021年5月18日播種,6月30日移栽,7月28日開始烤田處理,8月7日后進行淺水灌溉,11月5日收割,全生育期153 d。監(jiān)測田土壤為青紫泥,試驗前各小區(qū)土壤理化性狀無明顯差異,pH值8.17,有機質(zhì)含量19.25 g·kg-1,全氮含量1.21 g·kg-1,全磷含量0.67 g·kg-1,全鉀含量18.4 g·kg-1,銨態(tài)氮含量2.11 mg·kg-1,硝態(tài)氮含量0.42 mg·kg-1,陽離子交換量9.82 cmol·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

本研究采用大田小區(qū)試驗方式,共設(shè)置4種處理:空白對照(CK),不施肥+秸稈不還田;處理1(C1),施肥+秸稈不還田;處理2(C2),施肥+秸稈半量還田;處理3(C3),施肥+秸稈全量還田。每種處理設(shè)置2個重復(fù),每個重復(fù)對應(yīng)于1個小區(qū)。除CK外,其他處理的氮、磷、鉀肥施用總量(折純,分別以N、P2O5、K2O計)分別為240、45、45 kg·hm-2。氮肥分基肥、分蘗肥和穗肥3次施用,其中,基肥為緩釋肥(N、P2O5、K2O質(zhì)量分數(shù)分別為30%、6%、6%),氮、磷、鉀施用量(折純)分別為225、45、45 kg·hm-2,分蘗肥和穗肥均為尿素(N質(zhì)量分數(shù)46%),氮施用量(折純)均為7.5 kg·hm-2。為減少試驗小區(qū)邊際效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響,將其面積設(shè)置為7 m×8 m。為確保各小區(qū)間不發(fā)生側(cè)滲和田面水串流,將小區(qū)田埂筑高至40 cm,寬度擴大至50 cm,并采用1.2 mm高密度聚乙烯(HDPE)包裹田埂插入兩側(cè)地下各80 cm進行防滲處理。按照當(dāng)?shù)亟斩掃€田機械化作業(yè)習(xí)慣,在前茬水稻收割時將秸稈粉碎至5～10 cm后置于田間,在當(dāng)季水稻種植前1個月翻耕時將秸稈翻入土中0～20 cm。C2、C3處理的秸稈還田量分別為2.5、5.0 t·hm-2。

1.3 樣品采集方法

本研究采用PICARRO G2508溫室氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)連接呼吸葉室對稻田CH4排放進行連續(xù)采集和分析,并同步獲取對應(yīng)處理下5 cm深度土壤溫度。在8個試驗小區(qū)內(nèi)各安放1臺規(guī)格為0.5 m×0.5 m×1.5 m的呼吸葉室,箱室四周距田埂2.0 m以上。試驗期間,每個小區(qū)連續(xù)采樣2次,每個氣樣的采集時間為6 min,此時呼吸葉室上窗和側(cè)窗為閉合狀態(tài),采集結(jié)束后自動開啟上窗和側(cè)窗,間隔4 min后進行下一次氣體采集。將2次采樣作為單個小區(qū)的平行樣,在完成上個小區(qū)樣品的2次采集后,按設(shè)定程序?qū)ζ渌^(qū)氣體樣品進行采集。每個小區(qū)樣品的采集時間需要20 min,8個小區(qū)氣樣的采集周期為160 min。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基于光腔衰蕩光譜法由在線監(jiān)測系統(tǒng)直接獲取稻田CH4瞬時排放量,參照徐祥玉[10]的方法,根據(jù)呼吸葉室內(nèi)氣體濃度隨時間的線性變化測得的溫度計算稻田CH4排放通量,采用插值法測算1 d內(nèi)總的CH4排放通量和水稻全生育期的稻田CH4累積排放量,其中,在測算水稻全生育期的稻田CH4累積排放量時,兩次采樣日期的時間間隔為4 d。

采用Excel 2019軟件匯總、整理數(shù)據(jù)。利用SPSS 26.0軟件進行方差分析,對有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較。采用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量下稻田CH4排放特征

2.1.1 水稻生長期CH4排放通量的變化規(guī)律

各處理小區(qū)因秸稈還田量不同,水稻不同生長期的CH4排放通量表現(xiàn)出明顯的差異性(圖1)。在水稻生長初期,各處理的CH4排放通量均呈遞增趨勢,在分蘗期出現(xiàn)第一個排放峰值(31.55～392.91 mg·m-2·d-1)。分蘗期時,稻田處于淹水條件下,土壤氧化還原電位的降低有利于產(chǎn)CH4菌分解有機物產(chǎn)生CH4,且該時期植株通氣組織發(fā)達,CH4傳輸效率較高,原先在土壤中以閉蓄態(tài)形式存在的CH4得以釋放[11]。分蘗期后,各處理的CH4排放通量逐漸下降到4.66～12.97 mg·m-2·d-1,僅為排放峰值的3.30%～14.77%。這可能是因為中期的烤田處理改變了土壤的通透性,提高了土壤的氧化還原電位,破壞了產(chǎn)CH4菌的生存環(huán)境,影響了其在土壤中的數(shù)量或活性,從而抑制了CH4的產(chǎn)生與排放[12-14]?？咎锾幚砗筇镩g恢復(fù)灌水,CH4排放通量又逐漸增長,于拔節(jié)抽穗期出現(xiàn)第二個排放峰值(6.31～78.58 mg·m-2·d-1)。田間復(fù)水使得稻田土壤由好氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醐h(huán)境,產(chǎn)CH4菌的活性增強,稻田CH4排放量相應(yīng)增加[15]。在水稻生長后期,由于土壤中可被利用的有機質(zhì)含量降低,CH4排放通量恢復(fù)至生長初期水平。

圖1 不同秸稈還田量下水稻不同生長期的CH4排放通量變化Fig.1 Changes of CH4 emission flux at different growth stages of rice under different straw returning amounts

從各處理的CH4日排放通量來看,C1的CH4日平均排放通量為10.00 mg·m-2·d-1,較CK降低了16.11%,說明秸稈不還田時,施加氮肥對稻田CH4排放有一定的抑制作用,這與焦燕等[16]和王明星[17]的研究結(jié)論一致。C2、C3的CH4日平均排放通量分別為47.05、127.58 mg·m-2·d-1,較C1分別增加了3.7倍和11.8倍,說明秸稈還田可顯著增加稻田的CH4排放。這可能與秸稈還田增加了土壤中的可溶性有機碳、微生物量碳和易氧化態(tài)碳的含量,進而影響稻田CH4的排放通量有關(guān)。此外,秸稈還田會大量消耗土壤中的O2,土壤厭氧環(huán)境的形成也會促進CH4的產(chǎn)生[18]。

2.1.2 分蘗期稻田CH4日排放通量的變化規(guī)律

以CH4排放高峰期,即水稻分蘗期內(nèi)5 d對應(yīng)時段的加權(quán)平均值為例,分析不同秸稈還田量下5 cm深度土壤溫度和CH4排放通量的日變化(圖2)。各處理的CH4日排放通量均呈現(xiàn)單峰曲線特征,CH4排放通量在00:00—06:00維持在0.33～8.92 mg·m-2·h-1,變化相對穩(wěn)定;在06:00—14:00逐漸由0.49～8.51 mg·m-2·h-1上升至最大值1.13～23.60 mg·m-2·h-1;在14:00—22:00不斷降低,至22:00排放通量下降至0.53～13.06 mg·m-2·h-1。4組處理的CH4日排放通量變化趨勢與5 cm深度土壤溫度變化動態(tài)大體一致。各處理5 cm深度的土壤溫度在26.35～33.33 ℃,土壤溫度在06:00—14:00逐漸上升,最高溫和最低溫分別出現(xiàn)在14:00和06:00。有研究表明,水稻在長期淹水的環(huán)境中會形成一定的通氣組織,約90%的CH4被水稻的根系吸收,根系在輸送養(yǎng)分的同時將CH4通過通氣組織輸送到大氣中[19]。在06:00—14:00時段,隨著土壤溫度不斷升高,植物光合作用逐漸增強,植物的氣孔阻力逐漸減小,CH4排放通量通過根系的傳輸作用不斷增加[20]。

圖2 不同秸稈還田量下5 cm深度土壤溫度(A)和CH4排放通量(B)的日變化Fig.2 Daily variation of soil temperature at 5 cm depth (A) and CH4 emission flux (B) under different straw returning amounts

2.1.3 水稻生長期CH4累積排放量分析

不同處理水稻各生長期的CH4累積排放量均表現(xiàn)為分蘗期>灌漿成熟期>拔節(jié)抽穗期(表1)。

表1 不同秸稈還田量下水稻各生長期的CH4累積排放量

CK、C1、C2和C3處理在分蘗期(約30 d)的CH4累積排放量分別占全生育期CH4累積排放量的55.81%、49.40%、49.70%和52.11%,而拔節(jié)抽穗期(約30 d)和灌漿成熟期(約60 d)的CH4累積排放量分別占全生育期CH4累積排放量的12.86%～23.10%和26.53%～37.44%。各處理的稻田CH4排放均主要集中在水稻分蘗期,可能是因為該時期水稻的營養(yǎng)生長和光合作用最為旺盛,傳輸至植物根系的有機碳化合物多,這樣的環(huán)境有利于土壤微生物數(shù)量和活性的增長,為產(chǎn)CH4菌的代謝活動提供了充足的碳源和能源[24]。

各處理在水稻全生育期的CH4累積排放量以C3最高,顯著高于其他處理,其次為C2處理,顯著高于C1和CK,而C1與CK之間無顯著差異。這說明,氮肥施用對稻田CH4排放的影響并不顯著,但與秸稈不還田相比,秸稈還田顯著增加了水稻全生育期的稻田CH4累積排放量,且秸稈還田量越大,水稻全生育期的稻田CH4累積排放量越高。

一般地,稻田CH4排放系數(shù)為一年內(nèi)稻田CH4的累積排放量,即水稻全生育期的CH4排放總量。本研究所測得的不同秸稈還田量下水稻全生育期的CH4累積排放量與該處理下稻田的CH4排放系數(shù)在數(shù)值上一致,其值即可視為該處理下的稻田CH4排放系數(shù)。

2.2 不同秸稈還田量下單位水稻產(chǎn)量CH4排放量

為評估不同秸稈還田量對稻田CH4排放的綜合效應(yīng),引入單位水稻產(chǎn)量CH4排放量(水稻全生育期CH4累積排放量與單位面積水稻產(chǎn)量之比)作為評價指標(圖4)。CK、C1、C2、C3處理的水稻產(chǎn)量分別為(5 968±96)、(7 050±75)、(7 359±1734)、(7 659±158) kg·hm-2,C3與C2處理的水稻產(chǎn)量無顯著差異,二者均顯著高于CK和C1處理,C1處理的水稻產(chǎn)量顯著高于CK。這說明施肥或秸稈還田能顯著提高水稻產(chǎn)量,但在半量秸稈還田的條件下,進一步增加秸稈還田量對水稻增產(chǎn)的效果并不顯著。這與Jawson等[25]和嚴奉君等[26]的研究結(jié)論相符。

柱(點)上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Bars (dots) marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05.圖4 不同秸稈還田量下的水稻產(chǎn)量與單位水稻產(chǎn)量CH4排放量Fig.4 Rice yield and CH4 emission per unit rice yield under different straw returning amounts

經(jīng)測算,CK、C1、C2、C3處理的單位水稻產(chǎn)量CH4排放量分別為(1.95±0.05)、(1.42±0.19)、(7.24±0.52)、(16.52±0.64) g·kg-1,其中,CK和C1處理的單位水稻產(chǎn)量CH4排放量無顯著差異,在各處理中最低,顯著低于C2和C3處理,C3處理的單位水稻產(chǎn)量CH4排放量最高,且顯著高于其他處理。與C1相比,C2處理下水稻產(chǎn)量顯著增加了4.38%,但其單位水稻產(chǎn)量CH4排放量顯著增加了4.1倍;C3處理下水稻產(chǎn)量顯著增加了8.64%,但其單位水稻產(chǎn)量CH4排放量顯著增加了10.6倍。相比于秸稈全量還田的C3處理,秸稈半量還田的C2處理在產(chǎn)量無顯著變化的前提下,單位水稻產(chǎn)量CH4排放量顯著降低56.17%。

3 討論

現(xiàn)有研究報道的上海市稻田CH4排放系數(shù)多獲取于2012年及以前[7-9,27-28],自秸稈禁燒政策執(zhí)行以來,關(guān)于秸稈還田對稻田CH4排放影響的試驗研究多集中于江蘇、湖南等地,缺乏上海本地化系數(shù);為此,本研究特以上海青浦區(qū)稻田為研究對象,利用PICARRO G2508溫室氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)探索不同秸稈還田量下稻田CH4的排放特征,以期明確當(dāng)前時期秸稈還田與不還田條件下上海市稻田CH4本地化排放系數(shù)。

試驗發(fā)現(xiàn),不同秸稈還田量下稻田CH4日排放均呈現(xiàn)單峰曲線特征,一天中CH4排放通量的最大值出現(xiàn)在14:00,稻田CH4排放通量與5 cm深度土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,且兩者的相關(guān)性隨著秸稈還田量的增加而增強。常規(guī)施肥條件下,稻田的CH4排放主要集中在水稻分蘗期,其貢獻率達49.40%～52.11%,秸稈不還田、半量還田和全量還田的稻田CH4累積排放量分別為(10.00±0.06)、(53.26±0.06)、(121.55±0.03) kg·hm-2,隨秸稈還田量的增加而增加。秸稈半量還田較全量還田在不影響水稻產(chǎn)量的前提下,單位水稻產(chǎn)量CH4排放量顯著降低56.17%。在本試驗條件下,為減少稻田CH4排放,建議采用秸稈半量還田。

戴潔[27]利用CH4MOD模型對不同輪作模式(水稻+冬二麥、水稻+冬油菜、水稻+綠肥等)下的上海市稻田CH4排放進行模擬,得出全市層面的稻田CH4排放系數(shù)為277.15 kg·hm-2·a-1,較試驗條件下測算的最大值高出155.60 kg·hm-2·a-1。本研究為水稻-旱休閑輪作模式,而前述研究中輪作模式多樣,不同輪作模式能通過影響稻田田面水和土壤性質(zhì)來影響稻田的CH4排放[29]。另外,前述研究中還施入了秸稈和糞肥,相較于單純的秸稈還田,糞肥的施入可進一步加強產(chǎn)CH4菌的活性,從而提高稻田CH4排放量[30]。張鮮鮮[8]在崇明島監(jiān)測了秸稈不還田下不同氮肥施用量的稻田CH4排放情況,獲得的CH4排放系數(shù)為5.45～5.83 kg·hm-2·a-1,本研究中,秸稈不還田+施肥條件下獲得的CH4排放系數(shù)是前述數(shù)值的1.7～1.8倍。本研究與張鮮鮮[8]的研究相比,氮用量相差不大,但本研究的土壤有機質(zhì)含量是其1.2倍左右,推測可能是由于土壤有機質(zhì)含量高,可供產(chǎn)CH4菌利用的底物多,因而導(dǎo)致稻田CH4排放增加[31]。另外,本研究中CH4排放高峰期的淹水時間也較張鮮鮮[8]的研究更長,長期淹水的厭氧環(huán)境也有利于產(chǎn)CH4菌的代謝活動,導(dǎo)致稻田CH4排放增多[13]。趙崢等[28]在青浦區(qū)對不同肥料施用下的稻田CH4排放展開監(jiān)測,結(jié)果表明,稻田CH4排放系數(shù)為65～324 kg·hm-2·a-1。與本試驗中秸稈半量還田下CH4排放系數(shù)相比增加了22%～508%。趙崢等[28]試驗中的土壤pH值為7.05～7.18,而本研究為8.17。研究表明,稻田CH4排放與土壤pH值呈負相關(guān)關(guān)系,土壤pH值提高在一定程度上能降低稻田CH4排放[8]。此外,其試驗中的初始土壤有機質(zhì)含量是文獻[7]、[8]和本研究初始土壤有機質(zhì)含量的1.2～2.1倍,CH4排放系數(shù)是上述研究的1.1～59.5倍。已有研究表明,在土壤初始有機質(zhì)含量較高的情況下,額外添加有機肥或秸稈等可降解有機質(zhì)可明顯增加稻田CH4排放[22,31]。綜合上述研究及其數(shù)據(jù)對比,推測土壤有機質(zhì)含量是影響稻田CH4排放的關(guān)鍵因素之一,在土壤初始有機質(zhì)含量較高的前提下,減少有機肥或秸稈等可降解有機質(zhì)的施用量能達到稻田CH4減排的目的。