全球气候变化及其引发的环境问题已经成为全世界关注的焦点. 由人类活动所引起的大气温室气体浓度急剧增加已成为全球变化的最主要因素^[1]. 联合国政府间气候变化专门委员会IPCC第五次评估报告认为,2003~2012年平均温度比1850~1900年平均温度上升了0.78℃^[2]. 我国作为世界上一个重要的农业大国，农业生产排放的CH₄和N₂ O对全球温室效应贡献程度正在引起人们的普遍关注^[3]，通过对农田土壤中温室气体排放规律的研究，分析其影响因素，有助于掌握温室气体排放规律机制，针对性地提出减排措施.

近年来，稻田土壤温室气体排放规律及影响因素获得了极大关注，学者以中国东北的三江平原湿地、 西南山地丘陵区的冬水田为研究区，开展了土壤理化性质、 田间管理措施对稻田温室气体排放的影响研究，取得了大量的研究成果^[4,5,6]以往关于水田土壤温室气候排放的研究，极少涉及盐碱土区，缺少对影响因素的量化分析. 本文进行多点位采集，针对水田开发的时空变化引起的温室气体排放量随开发年限的变化展开研究. 吉林西部位于近百年来气候变暖显著的东北地区，在经历了多次沙漠化和盐碱荒漠化的正逆演变过程，形成了大面积的盐碱土沉积，为世界三大盐碱地集中分布区之一. 研究区水稻种植历史悠久，大规模的水田开发始于20世纪的50、 60年代，经过50 a的开发，现已形成了前郭尔罗斯水田灌区，是东北地区重要的粮食农业生产基地^[7]. 2000年以来，为了应对日趋严重的土壤盐碱化，该区引嫩江水改造盐碱土种植水稻. 本文以吉林前郭盐碱水田区为研究对象，通过野外调查和小区试验，系统监测土壤理化性质和温室气体的排放量，分析水田温室气体排放规律及影响因素，以期为进一步评估水田开发对全球变暖的影响提供科学依据.

吉林省前郭尔罗斯蒙古族自治县(简称前郭)，北靠嫩江，东临第二松花江，地理坐标为东经123°38′~125°17′，北纬44°17′~45°28′. 该区为典型的半湿润半干旱季风气候，春季多风干燥； 夏季高温多雨； 秋季日照充足； 冬季低温漫长. 该区属于生态脆弱带，根据第二次土壤普查资料，该区主要的土壤类型为淡黑钙土、 草甸土、 风沙土、 黑钙土、 碱土和栗钙土等，占据研究区总面积的90%以上.

本试验选取的研究对象为连续开发时间较长的前郭县水田，土壤类型分别为草甸土、 淡黑钙土和水稻土，采样点分布见图 1. 因水田开发年限不同，土壤理化性质亦发生变化，进而影响温室气体的排放. 为此，依据实地调研和遥感影像解译结果确定水田开发年限,2012年5月赴前郭采集了开发年限分别为0(指未开发的盐碱土壤)、 6、 15、 22、 37、 和57 a水田的 0~30 cm 表层土壤样品. 采集土样 过程中，在各采样点选取1块5 m×5 m样地，去除地表植被，装入标记好的采样布袋中带回实验室. 一部分土壤用于土壤理化性质分析，土壤样品自然风干后，做研磨过筛处理，采用常规方法测定土壤有机质和pH，其中土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾外加热法(表 1)，土壤pH采用电位测定法. 每个土样设置3个平行样品.

图 1

Fig. 1

图 1 前郭土壤类型及采样点分布示意 Fig. 1 Soil types and sampling point distribution location diagram in Qianguo图中编号为开发年限，单位： a

表 1(Table 1)

表 1 吉林西部第二次土壤普查数据 Table 1 Second soil census data of the western part of Jilin province 开发年限 /a 土壤类型 有机质1)/% 黏粒含量 /% pH 容重 0 盐碱土 1.96~2.97 0.23~0.28 7.60~8.30 1.10~1.30 15 淡黑钙土 1.76~2.30 0.20~0.25 8.10~8.40 1.30~1.50 22、 37、 57 水稻土 1.07~2.11 0.20~0.30 7.90~8.70 1.03~1.30 1) SOC含量由有机质含量除以1.724求得

表 1 吉林西部第二次土壤普查数据 Table 1 Second soil census data of the western part of Jilin province

小区试验地点选在吉林大学校园内的一片平坦空地，长春年平均气温4.8℃，最高温度39.5℃，日照2688 h； 年平均降水量522~615 mm，与研究区的气象条件相近，适宜水稻种植与生长. 在小区内挖取100 cm×100 cm×60 cm的坑，在土坑底部铺设塑料布后，将从采样点带回的水田土壤填进坑内灌水,2012年5月26日开始种植水稻，底槽内共9株，6块样地采取与前郭当地相同的水肥管理模式进行处置. 水分管理上，水稻返青期水深保持在3~4 cm，分蘖初期1 cm左右，分蘖后期及拔节孕穗期3 cm左右，抽穗开花期则采取干湿交替，且以湿为主. 播种前施用基肥，返青分蘖肥在插秧后的第3天施入； 孕穗肥与7月初和7月末分两次施入. 于水稻生长期利用静态箱-气相色谱法进行土壤温室气体的采集测试，箱体大小为50 cm×50 cm×50 cm，采样工作固定在09:00~11:00，观测频率为每周两次，计算通量的两次间隔采样在40 min内进行. 采集气体时有3个重复试验. 样品采集好后用带有三通阀的50 mL注射器注入真空气体采样袋中. 带回实验室后用气相色谱仪分析CH₄、 N₂ O的浓度[最终以mg ·(m² ·h)^-1计]. 本试验收集水田生长期土壤CH₄、 N₂ O气体排放数据共186个.

气体排放通量的定义为单位时间、 单位面积观测箱内排放的被测气体质量的变化，可用下列公式表示：

下文中将要出现的平均排放通量和季节累积量的计算公式分别为：

H₂/CO₂还原和乙酸(CH₃COOH)发酵是稻田 CH₄产生的主要途径. Conrad^[8]研究表明，理论上，由乙酸产生的 CH₄[CH₄(Ac)]占总 CH₄产生量的 67%，而由 H₂/CO₂还原产生的 CH₄[CH₄(CO₂/H₂)]占总 CH₄产生量的 33%. 研究区土壤以盐碱土为主，重碳酸盐含量高，在水稻生长的分蘖后期及孕穗期水层较深，形成还原条件，使重碳酸盐释放CO₂，形成H₂/CO₂产甲烷前体. 另外逐年累积的根系腐败物均为甲烷的产生提供了基质，为微生物提供了适宜的生存条件，进而造成CH₄排放峰值的出现.

从图 2中可以看出，在整个观测期内，CH₄呈现出明显的单峰排放规律，且峰值均集中在7月的水稻分蘖盛期和8月的孕穗期，返青和分蘖初期的排放通量很低，继而在抽穗期出现回落的趋势，成熟期趋于稳定.

图 2

Fig. 2

图 2 生长期CH4排放规律 Fig. 2 CH4 emission law during rice growth period

图 3看出不同开发年限的水田CH₄平均排放通量季节变化特征较为一致，水稻种植的初期和成熟期CH₄的排放量很小，孕穗期和抽穗期CH₄平均排放通量较高，变化均保持较好的同步性. 图 4中随着开发年限的增加，水田CH₄累积排放量也呈现明显升高的趋势，每个开发年份在水稻不同生育期的累积排放量波动基本一致. 未开发的水田CH₄排放量与其他几个开发年限相差很大，总体维持在一个比较低的水平.

图 3

Fig. 3

图 3 不同开发年限不同生育期CH4平均排放通量 Fig. 3 Average emission flux of CH4 during the growth stage for different development periods

图 4

Fig. 4

图 4 不同开发年限不同生育期CH4累积排放量 Fig. 4 Average emission flux of CH4 during the growth stage for different development periods

土壤中N₂O的产生主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用共同完成的^[9].

研究中发现已开发的水田N₂ O的排放趋势相似. 从图 5中可以看出在水稻的生长期间水田N₂ O的排放趋势基本出现3次峰值，具有明显的季节变化，成熟期N₂ O的排放回落到较低水平. 相对于未开发的水田,57 a的土壤具有较低的氧化亚氮排放水平，开发57 a的水田的峰值在生长前期呈滞后性，在后期呈超前性. 可能由于尚未种植过水稻的盐碱土壤的通透性差，不能有效地利用化学肥料，因此，返青肥后N₂ O 排放峰值提前出现.

图 5

Fig. 5

图 5 生长期N2O排放规律 Fig. 5 N2O emission law during the rice growth period

图 6中未开发的水田在不同的生育期N₂ O均保持较高的平均排放通量，其他几个开发年限的水田在相应的生育期N₂ O排放平均通量相差不明显，从各生育期角度看来，分蘖期和抽穗期的N₂ O的平均排放通量稍有升高. 图 7可以明显看出已开发的水田N₂ O的累积排放量相似，而未开发的水田N₂ O的累积排放量在水稻生长各时期均处于最高.

图 6

Fig. 6

图 6 不同开发年限不同生育期N2O平均排放通量 Fig. 6 Average emission flux of N2O during the growth stage for different development periods

图 7

Fig. 7

图 7 不同开发年限不同生育期N2 O累积排放量 Fig. 7 Accumulated emission flux of N2O during the growth stage for different development periods

图 8为开发年限为57 a的水田土壤温室气体排放曲线，该阶段水田土壤性质已经成熟稳定，因此选取它作分析. 对稻田CH₄和N₂ O排放结果的对比表明，在返青期和水稻成熟后的落干期，稻田几乎不排放CH₄，但排放少量的N₂ O； 在水稻生长旺盛的分蘖期，CH₄的大量产生和排放，而排放少量的N₂ O. 主要是在观测期内水分和施肥管理^{[10,11,12,13]}对稻田CH₄和N₂ O两者之间的排放季节变化产生了影响.

图 8

Fig. 8

图 8 生长期CH4和N2O排放规律对比 Fig. 8 Comparison of N2O and CH4 emission law during the rice growth period

CH₄排放峰值的出现主要是由于该时段气温高，土壤中微生物活性较高，水稻根系分泌物为产CH₄菌提供了充沛的碳源和能源； 另外，稻田较深的水层为土壤提供了良好的厌氧条件，加上水稻植株通气组织已相当发达，有利于CH₄的大量产生和排放.

N₂ O的排放量较小，一般峰值出现在施肥后和降雨后. 第一峰值通常出现在返青分蘖肥施后，施用时直接撒于水层下的土壤表面，而非翻施于表层或中层土壤中^[14]，微生物对肥料的利用率低，因此有较高的N₂ O排放. 第二次峰值出现于水稻分蘖期的旺盛阶段，由于孕穗肥的施入，N₂ O排放量都有了大幅的上升. 从图 8中曲线峰值出现的时间看，由于氮肥为微生物提供了更多的反应底物，每次施肥后N₂ O排放都会出现峰值，因此，肥料的施入对水 田N₂ O的排放量影响显著. 第三次峰值出现在抽穗期，这主要是由于8月中旬降水量少，温度相对较高的缘故. 水分条件在一定程度上影响着水田N₂ O的排放，在淹水条件下，N₂ O的主要来源集中在反硝化的过程，而排水之后，硝化作用重新占了主导地位^[15]，因此在排水后出现了一次较小的波动. 这一现象与江苏昆山的试验田水分管理对N₂ O排放的影响研究结果一致^[16]. 但有日本学者研究认为在成熟期排水后收获水稻，翻耕土层会形成N₂ O排放的峰值^[17].

从微生物的角度来看，参与CH₄产生的微生物主要包括发酵细菌、 产氢产乙酸细菌和产甲烷菌3类功能群. 分蘖前期，发酵细菌的代谢活动为反硝化作用提供可利用的C源，在硝化、 反硝化细菌的共同作用下，稻田大量排放N₂ O. 由于此阶段没有形成良好的土壤Eh等环境条件，不利于产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的生长繁殖，稻田不发生CH₄排放.

在稻田淹水后，产生CH₄的微生物菌群数量大幅度上升导致CH₄大量排放，在此期间硝化、 反硝化细菌数量并不减少，但淹水造成的厌氧环境可以抑制硝化细菌及甲烷氧化菌的活性^[18]，反硝化作用则由于Eh降至0 mV以下，代谢产物主要以N₂为主. 因此，N₂ O的排放较少.

研究表明，影响水田温室气体排放的因素有很多，如土壤质地、 土壤水分、 土壤温度、 氧化还原电位(Eh)等直接影响土壤微生物种类、 数量及其生理生化过程，进而影响温室气体排放^{[19, 20, 21, 22]}. 前郭水田多为盐碱地改造为水田，为碱性土壤；采样点的土壤开发年限跨度较大，且由于水田土壤具有一定的固碳作用，这与温室气体排放其二者之间的平衡关系也值得探讨，因此，本研究选取了pH和SOC两个因素进行分析. 3.2.1 土壤pH

土壤pH值是酸化累积的过程作为重要的影响因子和土壤Eh 共同控制着CH₄形成的微生物过程^[23]. 然而，土壤pH 对N₂ O 净排放的影响十分复杂. 它不仅影响反硝化速率，而且也影响气态产物的分配比例^[24]. 对于硝化作用来说，在pH值为3.4~8.6范围内，N₂ O的释放量与土壤的pH值呈正相关关系^[25].

从图 9中明显看出，未开发的水田土壤pH值超过了9，此时CH₄峰值排放通量不足1 mg ·(m² ·h)^-1. 目前已有研究表明，当土壤pH值超过8.75时，土壤排放CH₄的能力几乎消失^[26]. CH₄排放的多少在很大程度上取决于甲烷产生菌的活性，在厌氧条件下，甲烷菌可以分解土壤中的有机质,产生甲烷，而CH₄菌的最适pH值在6.9～7.5之间，超出该范围，微生物的活性就会显著降低，使得温室气体的排放大幅度减少^[27]. 前郭水田较高的pH和盐碱含量抑制甲烷产生菌的生长和发育，最终对CH₄的排放产生影响. 随着水田的开发，大量引水灌溉压碱，使土壤pH值逐渐降低，并保持在8左右. 土壤中逐渐有充足的产甲烷基质，形成更适宜产甲烷菌的生长环境，因此，相对未开发的盐碱土而言，其他开发年限的CH₄排放量较高.

图 9

Fig. 9

图 9 不同开发年限CH4和N2 O排放与pH变化 Fig. 9 pH impacts on N2O and CH4 emission in different developed soils

未开发的水田N₂ O的排放呈现最高值. 从图 5中曲线波动来看，土壤的N₂ O排放量和土壤pH值变化规律相近似. 若仅考虑单因子pH的影响，开发年限最长的水田土壤(57a)其N₂ O的排放量理论上应该最大，这与实测的结果存在一定的差别，造成上述现象的原因，可能是因为尚未种植过水稻的土壤与其他开发年限的土壤相比通透性较差，肥料难以进入土壤深层，在降低利用率的同时为土壤表层微生物进行硝化和反硝化作用提供了便利条件，有利于土壤中产生的N₂ O 向大气扩散.

土壤有机质是土壤呼吸的主要碳源，对土壤温室气体排放有重要的影响. 土壤活性有机碳是微生物生长的速效基质，其含量高低直接影响土壤微生物的活性，从而影响温室气体的排放^[28].

从图 10中可以看出，对于SOC含量而言，随着开发年限增加，土壤有机碳逐渐积累，含量呈上升的趋势，对于N₂ O而言，土壤所能提供的反应底物较少，较高的盐碱成分可能阻碍了微生物对土壤有机质中的矿化物质的利用，而土壤中进行硝化和反硝化作用的底物绝大部分来自于水稻生长期间所施入的氮肥，因此，水田土壤N₂ O的排放并没有因为SOC含量的不同而产生规律性变化. 试验表明，反硝化作用与SOC含量相关，有机质含量高可提高反硝化作用，而有机物质的C/N比也会影响产物中N₂ O/N₂比^[29,30].

图 10

Fig. 10

图 10 不同开发年限CH4和N2O排放与土壤SOC变化 Fig. 10 SOC impacts on N2O and CH4 emission in different developed soils

CH₄的排放量和SOC含量的变化趋势保持较好的一致性，即CH₄的排放量随着SOC的增加而增加. 这主要是因为水田灌水后，由于水层阻碍了空气和水田土壤直接的正常气体交换，造成了土壤的缺氧环境，此时，有机碳厌氧快速分解生成多种还原性物质，加速稻田氧化还原电位(Eh)的下降，当Eh值较低时不仅提高了甲烷产生菌的活性，而且有助于作物通气组织的形成，为甲烷的产生与排放提供了适宜的环境条件.

(1)前郭水田水稻生长期CH₄呈现出明显的单峰排放规律，峰值出现在7月的水稻分蘖盛期和8月的孕穗期. 该阶段深水层形成还原条件，较高的重碳酸盐含量形成更多的H₂/CO₂产甲烷前体以及充沛的基质环境，形成CH₄排放峰值.

(2)水稻的生长期间水田N₂ O的排放趋势基本出现3次峰值，土壤中进行硝化和反硝化作用的底物绝大部分来自于水稻生长期间所施入的氮肥.

(3)CH₄的排放量随着开发年限的增加呈上升趋势，与土壤SOC呈正相关； 未开发的水田N₂ O的排放量相比于其他开发年限的水田在水稻生长各时期均处于最高，但土壤pH和SOC均与N₂ O排放的相关性不明显.