2021, Vol. 42
2. 中国科学院大学, 北京 100049
, HUANG Qiong1,2 , WANG Tian-yu1,2 , ZHANG Guang-bin1 , MA Jing1 , ZHU Chun-wu1 , XU Hua1
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
全球变暖和粮食安全是人类面临的重要问题. N2O是导致全球变暖的主要温室气体之一. 100 a尺度上, N2O全球增温潜势(global warming potential, GWP)是CO2的265倍[1], 且N2O在大气中的寿命可达120年以上, 故单位质量N2O比CO2具有更高的温室效应.水稻种植作为人类主要的农业生产活动, 为全球过半人口提供口粮的同时也是N2O排放的重要人为源之一[2, 3].据估算, 全球稻田N2O排放总量为0.11~0.28 Tg·a-1, 约占施肥农田N2O排放的5%~13%[3~6].因此, 如何提高水稻产量、减少稻田N2O排放是当前乃至今后亟需解决的科学问题.
大气CO2摩尔分数(x[CO2])升高是全球气候变化的重要驱动力, 对稻田生态系统具有重要影响.一方面, x[CO2]升高可显著促进水稻光合作用, 增加水稻产量[7, 8].Liu等[9]和Yang等[10]利用中国稻田x[CO2]升高平台(free-air CO2 enrichment, FACE)连续3 a试验发现：水稻品种汕优63和两优培九的增产比率均高于30%, 此类水稻品种被称为高应答水稻.而x[CO2]升高能够促进水稻品种武运粳14和Akitakomachi增产约10%~15%, 这类水稻品种被称为低应答水稻[10~12].高、低应答水稻对x[CO2]升高的响应差异机制可能是：对比低应答水稻, 高应答水稻能将光合产物更充分地分配到根部, 增大根系, 提高对N素的吸收、同化和转运能力, 进而实现高增产.另一方面, x[CO2]升高能够直接或间接影响稻田氮循环过程, 进而影响稻田N2O排放[13~15].尽管已有研究表明, x[CO2]升高对稻田N2O排放存在促进[13, 16, 17]、抑制[18, 19]和无明显作用[20~22], 但这些研究的供试水稻品种大多属于低应答水稻, 而高应答水稻稻田N2O排放对x[CO2]升高响应规律并未系统研究.
因此, 本文依托中国稻田FACE, 利用静态透明箱-气相色谱法, 对我国长江中下游典型稻田生态系统进行原位观测, 研究x[CO2]升高对高应答水稻稻田N2O排放的影响, 以期为全面评估未来气候条件下稻田温室气体排放对x[CO2]升高的响应提供参考依据.
1 材料与方法 1.1 试验设计本试验于江苏省扬州市稻田FACE平台(E119°42′00″, N32°35′34″)进行.该平台共有3个FACE试验圈和3个对照(Ambient圈), FACE圈x[CO2]比Ambient圈高200 μmol·mol-1.各FACE圈和Ambient圈之间的间隔大于90 m, 以减少CO2释放对其他圈的影响, 平台运行时利用CO2储存罐向FACE圈输送CO2气体, 并通过固定在八边形上的管道向中心喷射纯CO2气体, 同时利用计算机网络和圈内的传感器对平台x[CO2]进行实时监测和控制, 根据x[CO2]、风向、风速以及水稻冠层高度的x[CO2]等条件自动调节CO2的释放方向和速度[23].该地区土壤类型为砂姜黑土, 土壤有机碳18.4 g·kg-1, 全N 1.45 g·kg-1, pH(H2O)6.8[24].观测期内气温和降雨如图 1.
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图 1 日平均气温和降雨量的变化情况 Fig. 1 Average temperature and daily precipitation |
本试验采用裂区设计, 主区为两种x[CO2]处理：正常x[CO2]处理(A)和x[CO2]升高处理(F); 副区为两种不同水稻品种：高应答水稻(S, 供试水稻品种为Y两优)和低应答水稻(W, 供试水稻品种为武运粳27).水稻移栽密度为24穴·m-2.根据当地常规种植方法, 高应答水稻每穴选栽1苗, 而低应答水稻每穴选栽2苗, 秧苗均为1蘖苗.采用复合肥(有效成分N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)和尿素(含氮量为46.7%)配合施用.施氮总量为225 kg·hm-2, 比例为基肥40%∶分蘖肥30%∶穗肥30%.磷肥和钾肥作基肥一次性施入, 用量均为90 kg·hm-2.田间管理按照当地常规要求执行(表 1).
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表 1 田间管理措施 Table 1 Management of the paddy fields during the rice seasons |
1.2 样品采集分析与指标记录
N2O气样采集利用静态透明箱法.箱体材质为有机玻璃, 分延长箱和顶箱两部分, 高度均为60 cm, 底面积为35 cm× 35 cm.延长箱顶部设有水封凹槽, 用于水稻生长后期加层, 深度为4 cm, 采样前将箱体罩在预先埋入各FACE圈和Ambient圈的底座(35 cm× 35 cm× 15 cm)上, 底座顶端与土壤表面齐平.水稻生长季, 在底座旁架设不锈钢桥以减少采样过程对各圈的扰动.待静态箱密封后, 用两通针将箱内气体导入21 mL真空玻璃瓶中, 间隔12 min采样1次, 共采样4次.采样结束后, 将静态箱移出各圈, 使箱体对各FACE圈和Ambient圈的影响最小化.水稻成熟期之前采样间隔为3~7 d, 之后的间隔为10~12 d, 采样时间为08:00~11:00.采气同时, 记录箱温、表面水层深度, 以及0、5和10 cm的土壤温度; 并利用便携式pH/mV计(PHB-06, Jiaoyuan Analytical, Yancheng)测定各处理土壤0~10 cm的土壤Eh.
气样N2O浓度利用带有63Ni电子捕获检测器(ECD)的安捷伦气相色谱仪(Agilent 7890B)测定.柱箱温度60℃, 尾吹气流量5 mL·min-1, 载气用95%氩气+5%甲烷, 检测器温度300℃. N2O标准气体由中国计量科学研究院提供.
在水稻分蘖前期、分蘖盛期以及孕穗期采集土壤样品.用土钻(直径2.50 cm)在每个处理样地中随机选取3个采样点采集表层土壤样品(0~15 cm), 去除其中的植物残体、根系和石头后充分混匀, 并装入无菌塑料袋中, 用装冰的便携式冷藏箱运回实验室测无机N含量.无机氮测定方法如下：称取20 g鲜土, 加入100 mL的2 mol·L-1KCl溶液, 振荡1 h, 静置15 min后过滤, 用流动分析仪(San++System, Skalar Analytical BV, Breda, the Netherlands)测定浸提液中的NH4+-N和NO2--N含量.水稻收获时, 统计各处理产量.
1.3 数据处理N2O排放通量[25]计算公式如下：
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(1) |
式中, F为N2O排放通量[μg·(m2·h)-1]; ρ为标准状态下N2O-N的密度, 取值1.25 kg·m-3; r为单位时间箱内N2O浓度的变化[μL·(L·d)-1]; H为箱体内部有效高度(m); T为密闭箱内温度(℃).
N2O排放总量是将每次观测值按时间间隔加权平均后再取3个重复的平均值, 其计算公式如下：
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(2) |
式中, TN为N2O排放总量(g·hm-2); Fi和Fi+1分别为第i和第i+1次采样时N2O平均排放通量[μg·(m2·h)-1]; Di和Di+1分别为第i和第i+1次采样时间(d).
N2O排放强度是各处理N2O排放总量和产量的比值.
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(3) |
式中, I为N2O排放强度(mg·kg-1); TN为N2O排放总量(g·hm-2); Y为水稻产量(t·hm-2).
数据处理及分析利用Microsoft Excel 2007与SPSS 20.0完成.
2 结果与分析 2.1 N2O排放由图 2可知, 2017~2018年水稻生长季, 无论x[CO2]升高与否, 高、低应答水稻稻田N2O排放通量变化基本一致, 均表现为前期淹水排放较低, 中期烤田排放突增, 复水后的干湿交替时期至成熟后的排水落干时期降低并维持在较低水平.各处理N2O排放主要集中在中期烤田期间. 2017年, 各处理稻田N2O排放峰值均出现在移栽后第46 d, A-S和F-S处理的峰值分别为313.56 μg·(m2·h)-1和76.04 μg·(m2·h)-1; 而A-W处理和F-W处理的峰值分别为637.79 μg·(m2·h)-1和30.87 μg·(m2·h)-1[图 2(a)]. 2018年, 各处理稻田N2O排放峰值均出现在移栽后第40 d, A-S和F-S处理的峰值分别为585.86 μg·(m2·h)-1和198.14 μg·(m2·h)-1; 而A-W和F-W处理的峰值分别为680.34 μg·(m2·h)-1和332.55 μg·(m2·h)-1[图 2(b)].对比正常x[CO2]条件, x[CO2]升高条件下高、低应答水稻中期烤田的N2O排放峰值较低, 而其他时期则无明显差异(图 2).
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图 2 不同处理稻田N2O排放变化 Fig. 2 N2O fluxes in different treatments |
2017~2018年水稻生长季, 与A-S和A-W处理相比, x[CO2]升高分别显著降低F-S和F-W处理稻田N2O排放49.65%~54.54%和33.01%~43.97%(P < 0.05), 两年平均分别为52.54%和38.40%(P < 0.05, 图 3).对比A-W处理, A-S处理稻田N2O排放降低13.81%~38.57%; 而对比F-W处理, F-S处理稻田N2O排放降低41.51%~44.79%.平均而言, 无论x[CO2]升高与否, 高应答水稻稻田N2O排放均显著低于低应答水稻(P < 0.05, 图 3).
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图 3 不同处理稻田N2O排放总量 Fig. 3 Total N2O emissions in different treatments |
对比A-S和A-W处理, F-S和F-W处理水稻产量增加19.46%~27.66%(P < 0.05)和9.92%~14.05% (P>0.05)(表 2). 2017年稻季, A-S和A-W处理水稻产量无明显差别; 2018年, A-S处理产量显著高于A-W处理(P < 0.05). 2017~2018年, F-S处理产量显著高于S-W处理(P < 0.05).平均而言, x[CO2]升高分别增加高、低应答水稻产量22.96%(P < 0.05)和12.11% (P>0.05).无论x[CO2]升高与否, 高应答水稻产量均显著高于低应答水稻(P < 0.05).
x[CO2]升高分别显著降低高、低应答水稻稻田N2O排放强度60.75%~62.41%(P < 0.05)和38.94%~51.47%(P < 0.05), 两年平均分别为61.68%和45.13%(表 2).对比低应答水稻, 正常x[CO2]条件下, 高应答水稻稻田N2O排放强度降低38.34%~41.87%(P < 0.05); 而x[CO2]升高条件下, 高应答水稻稻田N2O排放强度降低50.14%~63.95%(P < 0.05).平均而言, 无论x[CO2]升高与否, 高应答水稻稻田N2O排放强度均显著低于低应答水稻(P < 0.05).
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表 2 不同处理下水稻产量和N2O排放强度1) Table 2 Rice yield and N2O emission intensity in different treatments cm |
2.3 土壤温度和无机氮
2017~2018年, 不同深度土壤温度变化规律基本一致, 变化范围为14.3~37.2℃, 整体呈先上升后下降的趋势(图 4). 2017年的平均土壤温度为26.1℃, 而2018年为26.7℃.不同深度的土壤温度差异不明显, 但0 cm土壤温度略高于5 cm和10 cm土壤温度, 而5 cm和10 cm土壤温度无明显差异.
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图 4 不同深度土壤温度 Fig. 4 Soil temperatures in different depths |
由表 3可知：正常x[CO2]条件下, 高、低应答水稻土壤NH4+-N的平均含量分别为6.12~8.41 mg·kg-1和6.81~7.62 mg·kg-1, 而NO2--N的平均含量分别为0.15~0.72 mg·kg-1和0.17~0.73 mg·kg-1; 而x[CO2]升高条件下, 高、低应答水稻土壤NH4+-N的平均含量分别为3.72~5.32 mg·kg-1和5.25~5.66 mg·kg-1, 而NO2--N的平均含量分别为0.24~0.29 mg·kg-1和0.50~0.52 mg·kg-1.平均而言, x[CO2]升高显著降低高、低应答水稻土壤NH4+-N含量的37.74%和24.38%(P < 0.05), 而对NO2--N含量无显著影响(P>0.05).较低应答水稻, 高应答水稻土壤NH4+-N含量呈现降低趋势, 其中, 2018年差异显著(表 3).
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表 3 土壤无机N含量1) Table 3 Soil inorganic N content in different treatments |
如表 4所示：2017~2018年稻季, F-S处理N2O排放通量与0 cm和5 cm土壤温度均呈现显著正相关. 2017年, A-S处理N2O排放通量和0 cm、5 cm和10 cm土壤温度均呈现极显著正相关(P < 0.01), 而2018年均无显著相关性.而对于低应答水稻, 仅2018年A-W处理N2O排放通量和0 cm土壤温度呈现显著正相关(P < 0.05).相关分析表明, 高、低应答水稻稻田N2O排放与土壤NH4+-N含量极显著正相关(r=0.550, P < 0.01), 但与土壤NO2--N含量无显著相关性(r=-0.227, P>0.05); 土壤NH4+-N含量与NO2--N含量显著负相关(r=-0.413, P < 0.05).
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表 4 N2O排放通量与土壤温度的相关性1) Table 4 Correlations between N2O flux and soil temperature |
3 讨论
尽管有研究表明x[CO2]升高促进稻田N2O排放[13, 16, 17], 但最新研究结果显示[19], x[CO2]升高显著降低稻田N2O排放, 这与本研究结果一致.x[CO2]升高减少稻田N2O排放的原因可能有3个：一是稻田施肥期间淹水状态有利于氮肥进行彻底的反硝化作用, 继而转化成N2而非N2O; 二是C/N比增加促进氮肥向微生物氮转化, 从而抑制硝化和反硝化作用产生N2O; 三是植物的生长, 促进水稻植株氮素吸收, 减少土壤中氮素盈余的同时, 有机质的分解消耗土壤O2, 形成严格的缺O2条件, 不利于反硝化作用产生N2O[21].本研究表明, 无论x[CO2]升高与否, 稻田N2O排放主要集中在中期烤田时期, 此时淹水状态解除, 利于土壤N2O排放[26].x[CO2]升高降低稻田N2O排放, 主要是降低了中期烤田时期的稻田N2O排放, 其原因可能是水稻植株快速生长促进氮素吸收所导致[17].由于硝化反硝化作用是产生N2O排放的主要途径, 因此土壤中无机N含量与稻田N2O排放关系密切.本研究表明：稻田N2O排放与土壤NH4+-N含量显著相关, 与土壤NO2--N含量无显著相关性.综合2个水稻生长季, 对比正常x[CO2], x[CO2]升高显著降低高、低应答水稻稻田N2O排放总量的52.54%和38.40%(P < 0.05, 图 3), 降低土壤NH4+-N含量的37.74%和24.38%(P < 0.05, 表 3), 表明x[CO2]升高显著降低稻田N2O排放与土壤中氮盈余密切相关[19].对比低应答水稻, 高应答水稻降低稻田N2O排放和土壤中NH4+-N含量更为显著, 这表明高应答水稻具有更强的氮素吸收能力, 减少土壤无机N含量和产N2O底物供应, 从而减少更多的稻田N2O排放.
在x[CO2]升高约200 μmol·mol-1的情况下, 水稻产量增幅可达3.00%~36.00%[7, 27].与之类似, 本研究表明, 综合2个水稻生长季, 对比正常x[CO2]条件, x[CO2]升高分别增加高、低应答水稻产量22.96%(P < 0.05)和12.11% (P>0.05), 见表 2.有研究表明[28], x[CO2]升高增加水稻的氮素吸收量, 从而增加水稻产量.x[CO2]升高条件下, 比较低应答水稻, 高应答水稻增产幅度更高, 主要因为高应答水稻植株能够进行更强的光合作用, 提高氮素利用率, 从而实现增产[27]. N2O排放强度是一个将环境和经济利益协调统一的综合性评价指标[17].本研究中, x[CO2]升高显著降低高、低应答水稻稻田N2O排放强度的61.68%和45.13% (P < 0.05), 其主要原因是x[CO2]升高显著降低高、低应答水稻稻田N2O排放的同时又增加水稻产量(图 3和表 2), 其中, 高应答水稻效果更为显著.
土壤温度是影响稻田N2O排放的重要因素之一[29].土壤温度通过影响稻田微生物代谢强度进而影响硝化反硝化作用, 一般认为：N2O排放随着土壤温度的升高而增加, 25~35℃是硝化反硝化作用微生物活动的最适温度范围[30], 本研究水稻生育期大多时间均处于这一温度区间, 利于N2O排放; x[CO2]升高条件下, 高应答水稻稻田N2O排放与0 cm和5 cm土壤温度呈显著正相关关系, 而对于低应答水稻而言则无显著相关关系(表 4).这说明土壤温度对高应答水稻稻田N2O排放的作用较大, 而对低应答水稻稻田N2O排放影响有限.另外, 土壤温度也能够通过改变土壤水分和土壤通气状况, 从而影响相关微生物的群落变化, 最终影响土壤N2O排放[18].然而, 本研究并未涉及x[CO2]升高对稻田N2O排放相关微生物的影响, 这将是下一步亟需深入研究的方面之一.
为满足日益增长的人口对粮食的需求, 种植高产水稻品种对提高粮食产量和保障国家粮食安全显得尤为重要[31].当然, x[CO2]升高有助于筛选适合未来气候条件的高产水稻品种.未来气候条件下, 对比低应答水稻, 高应答水稻应是优先考虑选择种植的水稻品种.然而, x[CO2]升高条件下高应答水稻的稻米蛋白质、微量元素和维生素等含量均会显著降低[32].因此如何培育品质好、产量高以及减排效果好的高应答水稻, 从而有效降低稻田N2O排放强度, 将是未来较长一段时间研究的热点之一.另一方面, 由于x[CO2]升高是逐渐升高的过程, 但现阶段模拟未来气候条件的FACE试验所涉及的x[CO2]一般为骤增浓度[33], 且波动频率很高, 其模拟效果对植物-土壤系统的影响效果可能失真[8], 因此需全面考虑x[CO2]升高的不同年限和不同梯度水平对稻田N2O排放影响.尽管模拟的x[CO2]升高试验环境与未来高x[CO2]的自然环境存在一定差异[8], 但根据本研究结果推断, 未来气候条件下, x[CO2]升高可能有效减缓稻田N2O排放, 从而减少稻田生态系统对全球气候变暖的贡献.因此, 未来气候条件下, 稻田生态系统N2O排放可能需要重新评估.
4 结论本研究通过连续2 a高、低应答水稻稻田N2O排放对x[CO2]升高的响应, 发现x[CO2]升高分别显著降低高、低应答水稻稻田N2O排放, 这与土壤NH4+-N含量显著降低有关; x[CO2]升高增加高、低应答水稻产量, 显著降低稻田N2O排放强度; 并且, x[CO2]升高条件下, 土壤温度是影响高应答水稻稻田N2O排放的重要因素.综合对比, 高应答水稻田N2O减排效果优于低应答水稻; 未来气候条件下, 应优先选择种植高应答水稻, 以期有效减缓稻田N2O排放对全球气候变暖的贡献.
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