2019, Vol. 40
2. 重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心, 重庆 400715
2. Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three-Gorges Reservoir Area of Chongqing, Chongqing 400715, China
人类活动造成大气中的CO2浓度急剧上升, 近50年来全球CO2排放的增长已超过过去百万年的平均增长[1], 2017年大气CO2的平均浓度比工业革命前增加了45%[2].约60%的温室气体来源于CO2[3], IPCC指出, CO2的效果已达到温室气体的63%, 全国温室气体中17%由农业生产排放[4], 而农业生产系统中水稻田是必不可少的部分, 其CO2的排放在全球气候变化中有重要作用.世界总耕地中水稻种植面积占10%, 我国占世界水稻种植面积的27%[5], 随着人口数量的增加, 世界环境压力越来越大, 采取降低稻田CO2排放的措施对缓解全球气候变化有重要意义[6], 因此, 在保证粮食安全的前提下又要减少稻田温室气体排放成为了当前科技工作者的重要任务.
生态系统呼吸(Re)代表整个生态系统总的CO2释放量, 是植株呼吸和土壤呼吸的总和, 是碳循环中至关重要的一环[7].植物呼吸是生态系统作为碳源向大气释放CO2的重要分量, 在对生态系统呼吸的贡献中占有较大比例[8], 植物呼吸在一定范围内与土壤温度成正相关, 土壤呼吸通常与土壤温度成指数相关[9].包含植物呼吸在内的生态系统呼吸更能反映实际稻田的CO2排放情况, 因此, 探究生态系统的呼吸对温度的响应有助于解释稻田生态系统对温室效应的综合效应[10].采用Q10表示增温对呼吸的影响, 即土壤温度每增加10℃呼吸所增加的倍数, 但不同生态系统的Q10显然存在差异[11].
多数学者的研究围绕着生物炭对土壤呼吸以及土壤温室气体排放的影响开展, Subedi等[12]、Wu等[13]和Liu等[14]分别发现生物炭处理对土壤呼吸有促进、抑制和无影响的作用, Zhang等[15]的研究结果表明生物炭施用量对土壤CO2排放有不同影响.生物炭对CO2排放的影响仍存在较大分歧, 近来的研究主要从生物炭材料对土壤呼吸、土地利用方式和土壤温室气体排放的作用方面着手, 灌溉措施以及生物炭施用量对植株与土壤构成的生态系统呼吸温度敏感性的影响还鲜见报道.本试验以紫色水稻土为研究对象, 探究淹水灌溉和间歇灌溉两种灌溉方式下不同生物炭施入水平配施化肥对水稻生态系统呼吸与Q10的影响, 以期为稻田水分管理和生物炭的施用提供科学依据, 对农业固碳减排、生态文明建设以及减缓全球气候变暖有重要意义.
1 材料与方法 1.1 供试土壤与试验设计试验地点位于重庆市北碚区西南大学试验农场温室大棚内, 海拔242 m, 年均气温18.3℃, 最高气温7月平均28.7℃, 最低气温1月7.7℃.供试土壤来源于西南大学试验农场(E106°24′41″, N29°48′47″), 为侏罗系沙溪庙组紫色砂泥岩发育形成的中性紫色水稻土.其基本理化性质为：有机碳含量13.95 g·kg-1, 碱解氮121.52 mg·kg-1, 有效磷141.23 mg·kg-1, 速效钾206.32 mg·kg-1, pH为7.86.试验容器为PVC密闭圆桶, 上口直径24.4 cm, 下口直径21 cm, 高度23 cm, 土壤预先通过2 mm筛, 充分混合后每桶装6 kg干土.试验设置5个处理：①不施肥(CK)；②单施化肥(NPK)；③低量生物炭10 t·hm-2+化肥(LBC)；④中量生物炭20 t·hm-2+化肥(MBC)；⑤高量生物炭40 t·hm-2+化肥(HBC), 每个处理6个重复且随机分布.
本试验水稻品种为宜香优2115, 2017年3月10日播种, 2017年5月14日插秧, 每盆定苗2穴, 每穴2株, 2017年9月15日收割.淹水灌溉处理水稻在苗期和返青期2~3 d浇一次水, 分蘖期、拔节期、抽穗期和乳熟期阴雨天气1 d浇一次水, 晴天及高温天气1 d浇2~3次水, 保持水稻在试验期间淹水深度为5 cm; 间歇灌溉处理在苗期和返青期4~5 d浇一次水, 分蘖期、拔节期、抽穗期阴雨天气2~3 d浇一次水, 保持水稻淹水1 cm以下, 晴天及高温天气仅保持土壤湿润, 乳熟期不浇水.
施肥量：氮肥按N 0.2g·kg-1, 磷肥按P2O5 0.12 g·kg-1, 钾肥按K2O 0.16 g·kg-1施入.试验肥料为尿素(N质量分数46%), 过磷酸钙(P2O5质量分数12%), 钾肥(KCl质量分数60%).氮肥施肥比例为基肥:分蘖肥=60%:40%. 5月6日施入基肥, 6月2日施入追肥.钾肥、磷肥作为底肥一次性施入.基肥和不同施用量的生物炭与土样充分混匀后, 施入桶中, 追肥溶于水后施入土壤表面.除CK外, 各处理保持等氮磷钾的输入(见表 1).本试验生物炭来源于四川省久晟农业有限责任公司, 由油菜秸秆在500℃高温厌氧条件下热解2 h而成, 其C、N、P和K含量分别为625.8 g·kg-1、4.36 g·kg-1、0.97 g·kg-1和10.5 g·kg-1, pH为8.9[16].
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表 1 各处理施肥量/g·桶-1 Table 1 Amount of fertilizer applied in different treatments/g·pot-1 |
1.2 分析方法
采用静态暗箱法采集CO2气体.用于气体采集的箱体为分节组合式标准箱, 由顶箱、延长箱和底座组成.顶箱和延长箱均由不锈钢板制成, 顶箱尺寸均为长×宽×高=30 cm×30 cm×50 cm, 侧面采气口高度距底面27 cm, 延长箱尺寸为30 cm×30 cm×50 cm.箱体外覆白色棉被, 防止太阳辐射影响箱内温度, 每盆水稻底部由一个高度3 cm、直径50 cm的PVC底座固定.顶箱上部装有2个轴流扇, 用于混合箱内气体, 顶部安装有电源插头和JM624型便携式测温计采集口, 侧面安装有气体样品采集口.采样时视作物生长情况适时增加延长箱, 将顶箱或延长箱罩在底座上, 用水液封.采样频率为每7~10 d一次, 每次采样时间在上午08:30~11:30进行, 施肥后, 增加采样频率, 为每1~3 d一次, 持续一周.扣箱后立刻用60 mL的三通阀注射器采集0 min样品, 之后每隔10 min采集一次, 共采集4次样品, 采样后立即带回实验室分析. 5 cm土温和暗箱温度于采样时分别用便携式测温计每隔10 min读取一次并记录.气体样品采用Agilent GC-7890A气相色谱仪进行分析, 标准气体来自中国计量科学研究院, 分析方法及条件详见文献[17].
生态系统呼吸与温度关系、Q10采用指数模型拟合、计算[8]：
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式中, Re为生态系统呼吸[μmol·(m2·s)-1], a和k均为指数模型参数, T为箱温或5 cm土壤温度(℃).
1.3 数据处理与统计分析试验数据采用Excel 2016和SPSS 23.0软件进行数据处理, Origin 9.1作图, 不同处理之间采用多重比较, 其显著性水平通过最小显著差数法LSD进行检验; 两种灌溉方式差异用T Tests检验(P < 0.05).
2 结果与分析 2.1 不同处理稻田生态系统呼吸与温度的变化规律在较长的时间里, 两种灌溉方式下箱内温度与5 cm土壤温度的变化趋势一致且同步(图 1), 均在7~8月之间达峰值, 在时间尺度上反复波动, 但前者的波动范围和幅度均高于后者. 7月上旬(拔节期)开始, 间歇灌溉与淹水灌溉的土温、箱温、生态系统呼吸的变化开始出现较大差异, 淹水灌溉下箱温和生态系统呼吸的变化幅度较间歇灌溉明显减小. 8月末至9月中旬收获水稻期间, 间歇灌溉下箱温、土温、生态系统呼吸有回升的趋势, 且三者变化一致; 淹水灌溉下箱温、土温总体随时间逐渐降低, 生态系统呼吸则先小幅增加后降低, 其中HBC较其他处理的变化幅度更大.两种灌溉方式下各施肥处理间土温均无显著差异, HBC与CK之间的箱温均差异显著(P < 0.05), 说明不同灌溉措施和施肥处理对土温无显著影响, 施入高量生物炭可使箱内温度升高.
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图 1 淹水灌溉与间歇灌溉的箱温、土温、生态系统呼吸速率的变化规律 Fig. 1 Changes in box temperature, soil temperature, and ecosystem respiration rate under flooding irrigation and intermittent irrigation treatments |
间歇灌溉不同施肥处理生态系统呼吸的变化范围为: 6.58~252.32、4.24~377.81、7.56~310.14、6.14~313.54和4.61~285.29 μmol·(m2·s)-1(CK、NPK、LBC、MBC和HBC), 淹水灌溉不同施肥处理生态系统呼吸变化范围为: 6.13~115.15、1.18~229.07、2.56~211.19、6.24~230.26和4.94~340.52 μmol·(m2·s)-1(图 1: CK、NPK、LBC、MBC和HBC), 间歇灌溉生态系统呼吸及其变化范围均大于淹水灌溉, 表明淹水深度与生态系统呼吸呈负相关, 深度越大呼吸波动越弱.整个观测期内间歇灌溉的平均生态系统呼吸速率为100.82、174.91、152.98、148.08和123.84 μmol·(m2·s)-1(CK、NPK、LBC、MBC和HBC), 淹水灌溉平均生态系统呼吸为70.74、138.52、132.89、119.81和114.76 μmol·(m2·s)-1(CK、NPK、LBC、MBC和HBC).两种灌溉方式下3种生物炭处理相较不施肥显著升高了生态系统呼吸, 但相比单施化肥处理则显著降低了生态系统呼吸(P < 0.05).
2.2 5 cm深土温、箱温与稻田生态系统呼吸的相关性对生态系统呼吸与5 cm深土温、箱温的关系分别做了Pearson相关分析(表 2).可以看出, 淹水灌溉和间歇灌溉生态系统呼吸与土温的相关性表现出相似的趋势而与箱温的相关性有所差异.两种灌溉方式下5 cm深土温同生态系统呼吸均呈极显著相关(P < 0.001), 箱温同间歇灌溉生态系统呼吸呈极显著相关而与淹水灌溉生态系统呼吸相关性未达显著水平; 从相关性分析可知, 土温对生态系统呼吸的影响程度大于箱温对生态系统呼吸的影响, 箱温对间歇灌溉呼吸的影响程度大于对淹水灌溉呼吸的影响. 5 cm深土温可以解释间歇灌溉下约54%的生态系统呼吸变化, 淹水灌溉下仅能解释35%;箱温可以解释间歇灌溉下约35%, 而淹水灌溉下箱温不足以解释生态系统呼吸的变化.土温对生态系统呼吸变化的解释程度高于箱温, 说明土温对生态系统呼吸变化的贡献高于箱温.
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表 2 5 cm土温、箱温与两种灌溉方式下生态系统呼吸的Pearson相关分析1) Table 2 Pearson's correlation analysis for soil temperature (5 cm depth), box temperature, and ecosystem respiration under the two irrigation regimes |
2.3 稻田生态系统呼吸的温度敏感性(Q10)
间歇灌溉土温与生态系统呼吸呈极显著的指数相关, 淹水灌溉土温与生态系统呼吸呈弱指数相关, 间歇灌溉与淹水灌溉的生态系统呼吸同箱温的指数相关性均未达显著水平.间歇灌溉和淹水灌溉其指数拟合方程、相关系数(R2)和温度敏感性Q10值如表 3所示.
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表 3 土壤5 cm温度对生态系统呼吸、QQ10的影响与指数相关系数(R2)1) Table 3 Effect of soil temperature (5 cm depth) on ecosystem respiration, QQ10, and the index correlation coefficient (R2) |
间歇灌溉下5 cm土温与生态系统呼吸之间指数相关系数大小为NPK>LBC>MBC>HBC≈CK, 淹水灌溉下5 cm土温与生态系统呼吸之间指数相关系数大小为CK>LBC≈MBC>NPK>HBC.间歇灌溉下生态系统呼吸与5 cm土温之间的相关性(R2)相比淹水灌溉分别增加了2%、27%、24%、21%和16%.间歇灌溉除HBC外的施肥措施均增加了土温与呼吸之间的指数相关性, 淹水灌溉各处理均降低了土温与呼吸之间的指数相关性, 表明灌溉方式和施肥处理的改变对土温与生态系统呼吸的关系有影响.不同生物炭施入水平对呼吸的影响差异显著(P < 0.05), LBC对呼吸的影响与MBC差异不显著, 而与HBC差异显著.
间歇灌溉下不同施肥措施呼吸30%~43%的变异可以用土温来解释, 淹水灌溉下土温仅能解释14%~28%.淹水灌溉较间歇灌溉QQ10降低了49%~71%.淹水灌溉下, 与CK比, 低量和中量生物炭使QQ10增加, 高量生物炭使QQ10减小; 与CK比, 两种灌溉方式下生物炭施入水平对QQ10的影响大小为LBC>MBC>HBC.可见, 不同灌溉方式改变了不同施肥措施对QQ10的作用效果, 不同生物炭施入水平对QQ10的影响程度亦不同, QQ10随着生物炭施入比例的增加而减小.
3 讨论 3.1 两种灌溉方式下生物炭对生态系统呼吸的影响生物炭具有疏松多孔、比表面积较大的特点, 可通过改变土壤的结构和性质影响生态系统呼吸.无论是间歇灌溉还是淹水灌溉, 与对照相比, 单施化肥及配施生物炭均显著提高了生态系统的呼吸, 这与郭艳亮等[17]和于晓娜等[18]的结果相同.这是由于生物炭增强了土壤保持肥力的能力, 为微生物的生长代谢提供了较好的环境, 土壤微生物量和酶活性得以提高[19, 20], 同时生物炭中不稳定碳组分的微生物降解作用也促进了土壤表观呼吸[21]; 另外, 生物炭也可以在短期内发生矿化作用产生CO2[22~24].故在水稻生长阶段中, 生物炭与化肥配施处理的生态系统呼吸总体高于CK.但生物炭与化肥配施较单施化肥可以抑制生态系统的呼吸, 这与Cross等[25]的研究结果一致, 这是由于生物炭对土壤中的N、P和K有一定的固定作用, 为土壤团聚体的形成提供了有利条件, 对土壤中的有机质起到一定保护作用, 同时生物炭对易分解有机物质具有物理和化学吸附作用[26], 有机碳分解量下降, 使得生物炭配施化肥处理下CO2的排放量相较单施化肥减少, 但由于化肥对生态系统呼吸的促进作用大于生物炭的抑制作用, 故生物炭配施化肥处理下生态系统呼吸仍高于CK.
本研究中观测的生态系统呼吸主要由土壤呼吸与植株呼吸组成, 各处理的CO2排放规律受土壤温度、水分以及植株生长的影响较大[27].间歇灌溉的生态系统呼吸高于淹水灌溉, 这与周延等[28]和Juszczak等[29]的土壤表层水量减少导致CO2排放增加结果一致, 张忠明等[30]的研究结果也证实了水稻盆栽CO2的排放与淹水深度呈一定的负相关.这是由于生态系统呼吸中水稻植株的参与可增加约4.7倍的CO2排放量[31], 被水层淹没的水稻植株部分越多, 水稻的维持性呼吸量则越小, 生态系统呼吸减弱.
3.2 温度与稻田生态系统呼吸的关联性水热条件是植物生长代谢必不可少的条件, 是评估植株呼吸和土壤呼吸总排放效应的重要因子, 也是两种灌溉方式下温度与生态系统呼吸的关联性显著差异的主要原因.温度控制着水稻植株的生长, 本研究间歇灌溉下水稻植株生长旺盛时期与生态系统呼吸作用旺盛时期吻合, 生态系统呼吸随时间变化与水稻随时间变化的生长规律一致, 这与寇太记等[32]的结果类似, 表明温度在生态系统呼吸变化中起重要作用[33].微生物呼吸和植物根系呼吸是生态系统呼吸的重要部分, 温度影响微生物代谢产生CO2的各个阶段, 根系呼吸也受到温度的强烈影响[34], 最终生态系统呼吸与土温呈正相关[35].本研究中两种灌溉方式下水稻盆栽生态系统呼吸与土温之间存在着极显著的相关性, 但淹水灌溉降低了生态系统呼吸与土温的相关性.这主要是由于间歇灌溉土壤表层水小于1 cm, 淹水灌溉土壤表层水大于5 cm, 故间歇灌溉的土壤受温度的影响更大; 淹水灌溉条件使土壤通气性和温度变化减弱, 温度因子提供解释生态系统呼吸变化的信息量下降, 直接作用于水稻的生长状况以及根系和微生物活性, 进而调控了生态系统呼吸.箱温在间歇灌溉下与生态系统呼吸也显著相关, 淹水灌溉下二者无关.可能是因为箱温反映的是土壤呼吸和水稻呼吸共同的温度效应, 生态系统呼吸并未直接响应空气温度的变化, 故本试验生态系统呼吸与箱温的关系与Fu等[36]研究中的指数关系有所差异.
3.3 稻田生态系统呼吸的温度敏感性(QQ10)本研究中淹水灌溉和间歇灌溉QQ10均值分别为5.35和14.80, 远高于全球陆地生态系统QQ10范围2.14~2.27[10].主要是由于本试验过程在大棚进行, 晴天太阳辐射到玻璃大棚, 使大棚内温度急剧升高, 为了保证温度因子不受其他因素的干扰, 本试验并未对大棚做降温措施, 故大棚内产生增温效应.已有的研究中增温对生态系统呼吸温度敏感性的影响大多受土壤水分的限制[36, 37], 但本研究中两种灌溉方式下水分条件并非限制因素, QQ10并不会随温度增加而减小, 使得夏季外界和温室大棚内的增温效应增大了生态系统呼吸的温度敏感性, 因此, 水热条件充分是造成本研究QQ10较大的重要原因.另外, 水稻根系相较其他草本植物较发达, 而根系呼吸是土壤呼吸的重要部分, 本研究中生态系统呼吸包含了水稻盆栽的全部根系, 具有较高的温度敏感性[38], 且根系分泌物较丰富, 也使得QQ10增大[8]; 盆栽中植株枯落部分含有较多的易分解碳完全进入土壤, 生态系统呼吸基质活性增加从而增加QQ10[39].同时, 尽管不同组分对温度增加的敏感性不同, 但由于水稻植株生长以及气候的季节性变异的影响[40], 植株代谢旺盛, 根系分泌物也随之增加, 生态系统呼吸敏感性总体增大.此外, 本研究结果与Ding等[41]发现短期内土壤颗粒越小使QQ10越大，土壤温度与生态系统呼吸的数据同步测定也有使QQ10增大的趋势[42]相吻合.这也充分印证了QQ10变化的不确定性, 因此, 灌水和生物炭对QQ10值的影响还需在大田进一步验证.
间歇灌溉下不同量生物炭以及淹水灌溉下低量、中量生物炭施入较之CK均明显增加了生态系统呼吸对土壤温度的敏感程度.这是由于地上水层有屏障和隔热的作用, 灌溉超过一定量时, 土壤的热容量等性质改变, 植物的蒸腾作用以及根系吸收水分、养分的作用随之改变[43], 因而QQ10与灌溉量呈负相关[44], 淹水灌溉下土温变化对生态系统呼吸的影响比间歇灌溉更弱, 温度敏感性更低, 这与Yang等[45]的研究结果一致.氮肥施入将导致QQ10增大[46], 这是生物炭的施入增加了土壤呼吸底物的有效性和酶活性[47]使得微生物呼吸敏感性增加的结果.有关生物炭对土壤呼吸温度敏感性的影响仍存在许多不确定因素[48], 一般施入的生物炭在短期内增加QQ10而在长时间内使QQ10降低[49].本试验中随生物炭施入比例的增加QQ10越小, 淹水灌溉下40 t·hm-2生物炭起到降低QQ10的作用, 表明一定量的生物炭可以降低QQ10[50].但生物炭施用量对QQ10的作用有差异, 中、低量生物炭一定程度上使土壤基础呼吸的底物质量增加而有增大QQ10的作用[37]; 高量生物炭的施入明显破坏了土壤结构和土壤生态, 对土壤微生物数量与分布以及植物根系的生长与分布有较大影响, 进而对土壤呼吸产生了抑制效果, 从而降低了QQ10值.本试验中40 t·hm-2生物炭对QQ10的影响才出现差异, 且在两种灌溉方式下的作用效果不同, 故更高量的生物炭对QQ10的作用效果有待进一步研究.
4 结论(1) 两种灌溉方式下生态系统呼吸与温度显著相关(P < 0.05).淹水灌溉相比间歇灌溉降低了生态系统呼吸与5 cm土温、箱温的关联性, QQ10值在淹水灌溉下分别比在间歇灌溉下减少了48.6% (CK)、55.2% (NPK)、67.9% (LBC)、70.3% (MBC)和70.8% (HBC).但是本试验主要在大棚中进行, 势必会影响气温与地温的变化, 灌水和生物炭对QQ10值的影响还需在大田进一步验证.
(2) 两种灌溉方式下施肥均促进了水稻生态系统的呼吸, 生物炭施入水平之间的差异对生态系统呼吸无影响.生物炭配施化肥与单施化肥相比降低了生态系统呼吸, 但与不施肥相比则提高了生态系统呼吸.
(3) 不同施肥方式显著改变了生态系统呼吸对土壤温度的敏感性, QQ10随生物炭施入水平的增加而减小, 40 t·hm-2生物炭降低生态系统呼吸对土壤温度的敏感性效果最佳.
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