2022, Vol. 43
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
全球气候变暖问题日趋严峻, 极有可能是由人类活动排放的温室气体造成的[1].甲烷(CH4)是大气中第二大温室气体, 其浓度已从工业革命前的722μmol ·mol-1上升至当前的1 887 μmol ·mol-1[2].稻田是大气CH4的重要人为排放源.据估计, 全球稻田CH4排放量为30 Tg ·a-1, 约占农业排放源总量的15%[3], 而中国稻田CH4排放量约为6.25 Tg ·a-1, 约占全球稻田CH4排放总量的21%[4].另一方面, 在国家“碳达峰”和“碳中和”重大战略决策的指导下, 农业创收增效, 特别是稻田生态系统的增产减排, 将成为“绿色低碳”政策体系的重要一环.因此, 如何降低稻田CH4排放以减缓全球气候变暖已成为各国政府关注的焦点和相关科研工作者研究的热点.
稻田CH4排放是土壤CH4产生、在根际和土水界面再氧化以及向大气传输(主要是植株传输, 其次是冒泡和液相扩散)3个过程共同作用的结果[5], 明确CH4排放各过程可为稻田CH4减排提供重要科学依据.土壤CH4产生是稻田CH4排放的基础和先决条件[6], 在稻田生态系统中, 乙酸和CO2/H2被视为最主要的两种产CH4前体物质[7~9].因此, 稻田土壤CH4的产生主要有两个途径: ①通过乙酸发酵生成CH4: CH3COOH CH4+CO2; ②通过CO2/H2还原生成CH4: CO2+4H2 CH4+2H2 O[10].影响稻田土壤CH4产生途径的因素有很多, 如有机物种类、乙酸盐来源及其含量等[11].然而, 我国水稻种植面积大(约占全世界的19%)、分布广(从南到北、自东向西都有分布), 且稻作系统(或耕作制度)多样, 不同类型土壤的有机质含量、土壤质地等不同, 这势必导致土壤产CH4过程存在一定差异.目前, 关于CH4产生途径的报道大都集中在湖泊底泥和湿地土壤等方面[12~15], 关于不同类型稻田土壤CH4产生途径的对比研究鲜见[16~18].
本研究通过厌氧培养试验, 测定了我国主要稻作区3类典型稻田(分别为稻-麦轮作、稻-休闲和双季稻)土壤的CH4产生累积浓度、溶解性有机碳(DOC)含量、乙酸含量和CH4产生的碳同位素组成(δ13C), 评估不同稻作系统下土壤的CH4产生潜力与产生途径, 以期为稻田CH4产生的过程机制研究提供数据参考和科学借鉴.
1 材料与方法 1.1 供试土壤不同稻作系统的供试土壤分别为: 江苏句容(RW, 稻麦轮作模式, 31°57′N, 119°10′E)、四川简阳(RF, 稻休闲模式, 30°39′N, 104°55′E)和江西鹰潭(DR, 双季稻模式, 28°24′N, 117°03′E)稻田成熟期土壤, 风干后除去石块和水稻根, 过2 mm筛备用.土壤的基本理化性质见表 1.
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表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of paddy soil in this study |
1.2 试验设计
分别取上述3种供试土壤20 g风干土于120 mL培养瓶中, 加入超纯水使得水土比约为1 ∶1, 混匀、封盖和抽真空充氮气后, 进行室内恒温(25℃)暗箱培养[19].本试验共设置添加和未添加乙酸产CH4抑制剂氟甲烷(CH3F)6个处理: 即3种供试土壤(RW; RF; DR)×2个CH3F添加浓度[无CH3F抑制剂: 未添加处理; 2%的CH3F抑制剂(CH3F体积占培养瓶上方体积的百分比为2%): 添加处理].各处理均重复3次.
厌氧培养前, 25℃暗箱预培养3 d以激活土壤活性.随后, 通过双通针和真空泵将培养瓶内空气抽出, 造成培养瓶内真空状态后再将高压高纯度氮气充入培养瓶[20], 培养瓶经反复6次抽真空和充氮气(最后充至1.013×105 Pa)后, 于25℃培养箱培养34 d.
1.3 样品采集与分析培养瓶内气体样品(CH4和CO2)采集时间分别为厌氧培养的第1、5、9、13、17、21、24、27、30和34 d, 每次采样固定在10:00~12:00, 样品待测浓度; 最后一次采样结束后, 测定各处理气体样品的δ13CH4、δ13CO2以及土壤样品的DOC和乙酸含量.
CH4和CO2浓度利用带氢火焰离子化检测器(FID)的安捷伦气相色谱(Agilent 7890B, 美国)测定, 柱箱温度60℃, 空气流量400 mL ·min-1, H2燃气流量45 mL ·min-1, 尾吹气流量5 mL ·min-1, 载气用N2, 检测器温度300℃. CH4和CO2标准气体由中国计量科学研究院提供.
δ13CH4和δ13CO2利用同位素质谱仪MAT 253 plus测定.土壤样品用超纯水浸提, 振荡30 min(250 r ·min-1), 离心5 min(4 000 r ·min-1); 过0.45 μm水系微孔滤膜后, 采用总有机碳/总氮分析仪(Multi NC 3100)测定土壤DOC含量; 过0.22 μm有机微孔滤膜后, 采用高效液相色谱仪(ELSD/UV, Agilent HPLC 1260)测定乙酸含量.
1.4 CH4产生潜力的计算土壤CH4产生潜力由如下公式计算获得[21]:
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(1) |
式中, P为CH4产生潜力, μg ·(g ·d)-1; dc/dt为培养瓶内气相CH4浓度单位时间变化, μL ·(L ·d)-1; VH为培养瓶内气体体积, L; WS为干土重, g; Mr为CH4相对分子质量; MV为标准状况下1 mol气体的体积, L; T为培养的热力学温度, K.
1.5 CH4产生途径的计算应用稳定性碳同位素方法测定稻田土壤CO2/H2和CH3COOH对产CH4的相对贡献率[22], 该方法假设产甲烷总量(CH4)等于乙酸发酵产甲烷[CH4(ac)]和CO2/H2还原产甲烷[CH4(CO2)]之和, 即:
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(2) |
则乙酸产甲烷的相对贡献率(fac)为[22]:
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(3) |
根据同位素质量守恒, 可得[23]:
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(4) |
式中, δ13CH4(ac)为通过乙酸产生CH4的δ13C值(‰), δ13CH4(ac)一般为固定值或在一定范围内变化[17, 22~24], 本研究假定δ13CH4(ac)为-37‰和-43‰[25, 26]; δ13CH4(CO2)为通过CO2/H2还原产生CH4的δ13C值(‰), 可由式(5)推算[22]:
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(5) |
式中, δ13CH4(CO2)值根据未添加CH3F抑制剂(乙酸产CH4抑制剂)土壤厌氧培养得到的CO2的δ13C值(‰)及α(CO2/CH4)值计算获得(图 1), CO2/H2还原产生CH4过程中的同位素分馏系数α(CO2/CH4)[17]:
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(6) |
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图 1 应用稳定性碳同位素方法评估fac流程 Fig. 1 Evaluation of the fac flow chart using stable carbon isotope method |
式中, δ13CH4(CO2)值即为添加CH3F抑制剂(乙酸产CH4抑制剂)土壤厌氧培养得到的CH4的δ13C值(‰), 见图 1.
1.6 统计与分析数据处理及分析利用Microsoft Excel 2016、Origin 2017(OriginLab, USA)和SPSS 25.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)等软件完成.
2 结果与分析 2.1 CH4产生累积浓度和CH4产生潜力不同稻作系统RW、RF和DR土壤CH4产生累积浓度有着相似的变化趋势[图 2(a)~2(c)], 均随着培养时间的增加, CH4产生累积浓度增加, 最后逐渐趋于平稳.不同稻作系统土壤CH4产生累积浓度存在一定差异[图 2(a)~2(c)], CH4产生累积浓度最大和最小峰值分别为DR(150 416 μmol ·mol-1)和RF(80 493 μmol ·mol-1); 添加CH3F显著降低CH4产生累积浓度, CH4产生累积浓度最大和最小峰值分别为RW(56 853 μmol ·mol-1)和RF(7 912 μmol ·mol-1).不同稻作系统土壤的CH4产生潜力存在显著差异(P < 0.05), 总体在7.18~13.4 μg ·(g ·d)-1之间, 其由大到小依次为: DR>RW>RF[图 2(d)].添加CH3F显著降低CH4产生潜力(P < 0.05), RW、RF和DR土壤CH4产生潜力分别降低57%、90%和83%.相关分析表明, CH4产生潜力与CEC和pH呈极显著负相关, 与砂粒含量呈极显著正相关(P < 0.01).
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图 2 不同稻作系统土壤CH4产生累积浓度和CH4产生潜力 Fig. 2 CH4 cumulative concentration and CH4 production potential under different rice-based cropping systems |
不同稻作系统土壤DOC含量存在显著差异(P < 0.05), 其中, DR土壤ω(DOC)最高, 为255 mg ·kg-1, 较RW和RF分别高51%和17%[图 3(a)].添加CH3F显著增加DOC含量(P < 0.05), RW、RF和DR土壤DOC含量分别增加267%、160%和234%. 3种稻作系统土壤的ω(乙酸)为5.68~7.34 mg ·kg-1[图 3(b), P>0.05].添加CH3F显著增加乙酸含量, 且不同稻作系统乙酸含量差异显著(P < 0.05), 其乙酸含量由大到小依次为: DR>RF>RW.
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图中不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05) 图 3 不同稻作系统土壤DOC和乙酸含量 Fig. 3 DOC and acetic acid content under different rice-based cropping systems |
不同稻作系统土壤CH4产生过程中δ13CH4和δ13CO2值范围分别为-54.44‰ ~-43.89‰和-26.30‰ ~-18.67‰(表 2), 且RW、RF和DR之间的δ13CH4和δ13CO2值分别存在显著差异(P < 0.05).RF的δ13CH4值最高(-43.89‰), 较RW和DR分别偏正11.06‰和8.33‰(P < 0.05), 但其δ13CO2值最低(-26.30‰), 较RW和DR分别偏负7.63‰和5.14‰(P < 0.05).添加CH3F后, δ13CH4值为-82.25‰~-74.57‰, δ13CO2值为-27.96‰~-21.68‰, 较未添加CH3F处理均显著偏负(表 2, P < 0.05).
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表 2 稻田土壤CH4产生过程中δ13CH4、δ13CO2、α(CO2/CH4)、δ13CH4(CO2)和fac值1) Table 2 Values of δ13CH4, δ13CO2, α(CO2/CH4), δ13CH4(CO2), and facin the process of CH4 production in paddy soil |
2.4 α(CO2/CH4)和fac值
不同稻作系统RW、RF和DR的α(CO2/CH4)值分别为1.057、1.058和1.062(表 2), DR的α(CO2/CH4)值显著高于RW和RF(P < 0.05), 而RW和RF之间并无显著差异.RW、RF和DR的fac值分别为50% ~60%、84% ~98%和64% ~75%(表 2), fac值因稻作系统的不同存在显著差异(P < 0.05), 其中RF的fac值显著高于RW和DR. δ13CH4(ac)值为-37‰情况下, RF的fac值分别比RW和DR高41%和24%; δ13CH4(ac)值为-43‰情况下, RF的fac值分别比RW和DR高38%和23%.
3 讨论 3.1 不同稻作系统对土壤CH4产生潜力的影响CH4产生是严格厌氧条件下产甲烷菌作用于产CH4基质的结果[27], CH4产生潜力受土壤性质的影响, 特别是土壤DOC和乙酸含量.水稻生长过程中根部释放的根系分泌物、自溶物和细胞分泌物等会部分残留迁移到土壤中, 可提高稻田土壤DOC和乙酸含量, 为稻田CH4产生提供丰富的基质[28].然而, 我国水稻土类型复杂多样, 导致CH4产生潜力差异较大[29].本研究中, 相比于RW和RF处理, DR处理是双季稻种植模式, 每年种植2次水稻, 水稻根部释放至土壤的物质较多, 这可能是DR处理土壤DOC和乙酸含量高于RW和RF处理的原因. CH4产生消耗土壤中DOC和乙酸, 造成土壤DOC和乙酸含量的降低(图 3).然而, 本研究并未发现土壤DOC和乙酸含量与CH4产生潜力存在显著相关关系(r=0.331, P>0.05; r=0.191, P>0.05), 这表明除DOC和乙酸含量以外, CH4产生潜力可能会受到其他土壤理化性质的影响, 如土壤质地和pH等[30].
土壤质地等稻田土壤性质能够影响土壤DOC含量[31], 继而改变乙酸含量, 这可能是不同稻作系统土壤CH4产生潜力与DOC和乙酸含量之间对应变化规律也存在一定的差异的原因之一[图 2(d)和图 3].有研究表明, 黏质土壤对有机质有着较强的保持作用, 对产甲烷菌的有机基质供应较少[32], 而本研究中, RF、RW和DR分别属于黏质、粉质和砂质土壤, 这可能是本研究中RF的CH4产生潜力较RW和DR分别低44%和87%的原因[图(2d)].土壤pH是反映土壤性质的一个重要指标, 有研究表明随着土壤pH的升高[33], 土壤中氢离子浓度降低, 高价铁、锰很难还原成低价铁、锰; 土壤中高价铁、锰含量增加会提高土壤氧化能力[34], 降低CH4产生潜力, 本研究中pH与CH4产生潜力极显著负相关(r=-0.888, P < 0.01), 一定程度上证实了已有的研究结果.此外, 土壤阳离子交换量(CEC)是指在一定pH条件下, 土壤胶体所能吸附和交换的阳离子总量[35], 因而土壤中阳离子交换量能够反映土壤缓冲能力[36].土壤CEC可通过影响土壤中NH4+从而影响CH4氧化, 土壤CEC低, 土壤缓冲能力弱, 较低浓度的NH4+即可对CH4氧化菌有强抑制作用[37], 从而促进CH4产生, 这可能是土壤CEC与CH4产生潜力极显著负相关的原因(r=-0.930, P < 0.01).
3.2 不同稻作系统对土壤CH4产生途径fac值的影响CH4产生途径的主要研究方法有放射性示踪技术、添加CH4抑制剂以及稳定性碳同位素法[18], 其中稳定性碳同位素法是非破坏性采样且无需在样品中添加任何物质, 可避免因添加外来物质造成的偏差[22, 38].以往研究中, 同位素分馏系数α(CO2/CH4)常取一固定值[17, 24, 38], 但α(CO2/CH4)值因环境因素以及土壤性质等不同存在一定差异[22, 39], 因而在不同稻作系统下选用同一个α(CO2/CH4)值势必会影响结果的准确性. CH3F是一种乙酸产CH4抑制剂, 具有抑制稻田土壤CH4产生的作用.有研究表明[18], 抑制乙酸产CH4途径的CH3F浓度远低于抑制H2/CO2产CH4途径的CH3F浓度, 且CH3F的添加比例为2%时, 既远低于抑制H2/CO2产CH4途径的CH3F浓度, 又对乙酸产CH4途径有着很好地抑制作用, 因此通常认为, CH3F添加浓度为2%时只抑制乙酸产CH4途径[40].本研究通过CH3F抑制剂法, 分别计算出不同稻作系统土壤的α(CO2/CH4)值, 范围为1.057~1.062, 且α(CO2/CH4)值受稻田土壤因素的影响[41], 不同稻作系统土壤α(CO2/CH4)值存在明显差异(表 2).已有研究也有关于不同稻作系统α(CO2/CH4)值的探究, 选自泰国的稻田新鲜土为DR稻作系统, 所选用的α(CO2/CH4)值为1.071[17]; 选自美国的稻田新鲜土、日本稻田风干土和意大利稻田风干土均为RF稻作系统, 所选用的α(CO2/CH4)值分别为1.045~1.060、1.049和1.045~1.073[22~24, 38, 42, 43]; 选自中国句容稻田新鲜土为RW稻作系统, 选用的α(CO2/CH4)值为1.050~1.060[26].本研究为我国3类不同稻作系统土壤α(CO2/CH4)值的选用提供重要参考.
碳同位素自然丰度的测定为稻田土壤CH4产生途径的定量评估提供了方法和手段[44], 土壤δ13CH4值是反映CH4产生途径的重要参数之一(图 1), 稻田土壤产生过程的δ13CH4值主要取决于产CH4基质类型以及CH4产生途径(乙酸和H2/CO2)的相对贡献率[38, 42].本研究无外加有机碳源添加的情况下, 不同稻作系统RW、RF和DR处理的土壤性质的不同[20], 导致土壤δ13CH4值存在显著差异, 说明fac值存在较大的差异.H2/CO2产CH4途径倾向于利用同位素较轻的碳, 而乙酸产CH4途径倾向于利用同位素较重的碳, 因此同H2/CO2产生的CH4相比, 乙酸产生的CH4相对富积13C, 导致其δ13CH4相对偏正[22, 45].这表明乙酸产CH4贡献率高, 富积13C, 相应的δ13CH4值偏正, fac值高, 这也从另一个方面阐明了不同稻作系统的δ13CH4值与fac值有着相同变化趋势的原因.此外, 土壤有机碳在CH4产生过程中起着重要作用[46], 其在一定条件下可转换为乙酸, 提高乙酸产甲烷途径贡献率, 因此土壤有机碳含量越高, fac值越大, 这可能是本研究中fac值RF>DR>RW的原因(表 2).稻田CH4产生总量为乙酸发酵产生CH4量和H2/CO2还原产CH4量总和, 理论上H2/CO2对稻田产CH4的贡献率为1/3, 乙酸对稻田产CH4的贡献率为2/3[47].本研究发现RW、RF和DR的fac值几乎均在50%以上, 这也说明了乙酸产CH4途径在稻田土壤CH4产生过程中占主导作用.
3.3 不同稻作系统fac值的对比总结泰国、美国、日本、意大利和中国这5个国家的研究结果发现, 稻田土壤fac值因稻作系统的不同存在一定差异, fac值范围在10% ~108%之间(表 3).对比分析发现, 本研究中3个稻作系统的fac值均在已有研究范围之内, 总体上RW和DR略低于已有研究, 而RF略高于已有研究.当然, 选取对比的泰国、美国和中国句容的供试土壤均为稻田鲜土, 而本研究中的供试土壤均为成熟期风干土(表 3), 这表明土壤水分条件不同可能导致fac值存在一定差异[20].选取对比的意大利和日本的供试土壤为稻田风干土, 与本研究中相对应的稻作系统fac值有所不同, 其原因可能是选用了的不同α(CO2/CH4)值.
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表 3 不同地区稻田土壤fac和α(CO2/CH4)值1) Table 3 Values of facand α(CO2/CH4) under different regions |
为进一步探明CH4产生途径的影响因素, 本研究统一选定国际上常用的α(CO2/CH4)=1.06, 分别计算了不同稻作系统的fac值.结果表明, 不同稻作系统的fac差异显著(P < 0.05), 这说明稻作系统显著影响土壤CH4产生途径(图 4); 相同稻作系统下, 不同地区之间的fac值也存在一定差异(表 3和图 4), 表明同一稻作系统下不同地区土壤性质也会影响CH4产生途径.相同稻作系统下不同地区之间经纬度跨越大(表 3), 土壤水热条件存在很大的差异, 这些环境因素的不同会导致土壤有机碳存在一定差异[48, 49], 进而导致相同稻作系统下不同地区土壤的fac值存在差异.
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图 4 α(CO2/CH4)=1.06情况下不同稻作系统的fac值 Fig. 4 The fac values of different rice-based cropping systems under the condition of α(CO2/CH4)=1.06 |
(1) 不同稻作系统RW、RF和DR土壤CH4产生累积浓度和产生潜力存在显著差异(P < 0.05), 这可能与土壤阳离子交换量和pH等性质不同有关.
(2) 不同稻作系统RW、RF和DR土壤DOC和乙酸含量差异明显(P < 0.05), DR土壤DOC和乙酸含量均高于RE和RF.
(3) 不同稻作系统下土壤产生的δ13CH4和δ13CO2值明显不同, 土壤α(CO2/CH4)值范围在1.057~1.062, DR的α(CO2/CH4)值显著高于RW和RF.
(4) 我国3种典型稻作系统土壤fac值范围为50% ~98%, 但不同稻作系统的CH4产生途径存在显著差异(P < 0.05), RF的fac值明显高于RW和DR.
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