2023, Vol. 44
2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所, 南京 210014
2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China
水稻是我国的主要粮食作物, 占我国粮食总产的40%左右, 稻田在保障我国粮食安全以及调控生态环境方面发挥了重要作用.除了双季稻外, 我国稻田多以稻-麦和稻-油轮作为主, 近年来, 随着轮作政策的实施, 稻-豆科绿肥轮作的面积也逐渐上升.在作物产量不断提高的同时也产生了大量的秸秆, 2013年国家秸秆禁烧令颁布后, 秸秆还田已经成为目前最主要的资源化利用措施, 在改良土壤、培肥地力、提高作物产量和品质等方面发挥了重要作用.然而稻田秸秆还田也呈现了一些负面效应, 如小麦秸秆在稻田厌氧环境条件下易产生还原性有毒物质, 对水稻根系产生毒害效应, 从而影响水稻发苗[1].温室气体(greenhouse gases, GHGs)排放量的增加是导致全球变暖的主要原因, 而稻田是主要来源之一.逯非等[2]研究发现, 虽然秸秆还田在一定程度上通过固碳减缓全球变暖, 但同时其造成CH4排放增加, GWP(以CO2当量计)可达3 843万t; 绿肥翻压后显著刺激土壤呼吸, 增加了N2O的排放[3].此外, 麦秸和油菜秸秆还田后会增加稻田田面水体中总氮和总磷的含量, 等量还田条件下, 小麦秸秆对氨氮的影响大于油菜秸秆, 而对于总磷的影响恰恰相反[4].秸秆还田后田面水中COD也显著增加, 秸秆覆盖时稻田田面水中的COD要高于秸秆翻埋, 同时秸秆还田量越大, COD也越高[5, 6].稻油轮作农田径流监测发现, 正常施肥下秸秆还田处理的径流COD在油菜季和水稻季比不还田处理平均分别增加了约20.2%和22.2%[7].近年来随着国家对农村水体污染重视程度的不断提高, 农田面源污染尤其是秸秆还田可能导致的氮磷及COD排放风险也成为了关注的重点.
稻田土壤的通气状况是影响秸秆还田稻田根区微环境以及水稻生长发育的关键因子.胡继杰等[8]研究发现施用过氧化钙和微纳气泡水增氧灌溉能有效改善稻田土壤氧化还原状况, 不仅显著提高水稻产量, 而且显著增强稻田氮的硝化而减少氮素损失, 从而提高水稻氮素积累量和氮素收获指数.增氧处理还可增加根总表面积和体积, 提高水稻根系活力[9], 增加施肥土壤中各类微生物的数量[10], 促进水稻分蘖, 提高产量[11].才硕[12]发现微纳米气泡增氧灌溉还可以减少稻田N、P径流流失量.水稻根区的氧气含量不仅可影响秸秆腐解速率以及根区微环境, 还能影响土壤微生物, 对土壤及田面水养分动态乃至温室气体的排放均造成影响.然而当前研究多关注增氧灌溉对作物生长的影响, 对秸秆还田后温室气体排放以及COD等排放的影响研究则相对较少.为此, 本研究通过田间试验, 分析增氧对不同秸秆还田稻田田面水养分动态、温室气体排放和产量的影响, 明确增氧是否能有效降低秸秆还田稻田COD排放风险以及温室气体排放, 以期为我国稻田绿色低碳生产提供技术支撑.
1 材料与方法 1.1 试验设计本试验地点位于江苏省农业科学院院内试验田, 采用微区试验, 微区面积2 m2(2 m×1 m).选用小麦、蚕豆和油菜进行全量还田, 秸秆还田条件下设增氧处理与不增氧处理, 同时设置秸秆不还田和不还田不施肥作为对照, 本试验处理包括麦秸还田(W)、蚕豆秸秆还田(B)、油菜秸秆还田(R)、麦秸还田+增氧(WO)、蚕豆秸秆还田+增氧(BO)、油菜秸秆还田+增氧(RO)、秸秆不还田(CK)和不还田不施肥(CK0)共计8个, 每个处理设置3个重复.小麦、油菜和蚕豆秸秆的还田量根据江苏省常规种植方式下的产生量以及常用谷草比来计算, 采用全量旋耕还田方式, 还田量分别为7 570、5 521和1 498 kg·hm-2.秸秆粉碎成4~5 cm后均匀混入土壤表层, 还田后当天水稻插秧.试验田供试水稻品种为“宁粳13号”, 于2021年7月12日人工移栽, 11月11日收获.其中除不还田不施肥处理外, 其余处理均正常施氮, 施氮量240kg·hm-2, 基、蘖和穗肥的比例是4 ∶3 ∶3, 所有处理磷钾用量都相同, 均为96kg·hm-2, 基肥一次性施入.基肥用氮磷钾三元复合肥(15-15-15), 于7月12日施用, 分蘖肥和穗肥均用尿素, 分别于7月21日和9月1日施加, 并于8月22~30日进行烤田.田间水分管理与当地种植习惯相同, 增氧处理安装ACO电磁式空气泵作为增氧装置, 同时连接气泡盘置于增氧微区内, 排气量设置为50 L·min-1, 水稻移栽后20 d内每3 d增氧一次, 之后适当延长至5 d一次, 每次增氧2 h.
1.2 测定项目与方法 1.2.1 温室气体采集与测定采用静态暗箱法采集稻田内的温室气体.气体采集箱由PVC材料制成, 箱体长宽高均为50 cm, 随着水稻生长, 额外增添一个相同尺寸的双向开口箱体, 采气高度增加至1 m.气体采集时箱体底座槽中注水密封.施肥后1、4和7 d进行采气, 之后每隔7 d采样一次, 采样时间为07:00~10:00, 气体采集后保存于真空期瓶中, 迅速带回实验室利用气相色谱法(Agilent GC 7890A)测定CH4和N2O的气体浓度.气体排放通量计算公式如下：
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式中, F为气体排放通量[mg·(m2·h)-1]; ρ为标准状态下的气体密度(mg·m-3); h为采样箱净高(m); dc/dt为单位时间采样箱内气体的浓度变化率; 273为气态方程常数; T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃).
已知CH4和N2O在百年尺度上的全球增温潜势(GWP)分别为CO2的28和265倍.用下面公式计算不同处理排放CH4和N2O产生的综合温室效应：
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式中, F为CH4和N2O的累积排放量(kg·hm-2).
1.2.2 田面水采集与测定采集频率为施肥后1、4和7 d, 其余每隔7 d采样一次, 时间为07:00~10:00, 与采气同步进行.用COD快速检测仪(型号DR1010)测定田面水中的COD, 水样过滤后用荷兰SKALAR SAN++SYSTEM流动分析仪测定NH4+-N和NO3--N含量, 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)测定TN.
1.2.3 水稻产量及构成水稻成熟后, 在各微区内随机选取5穴水稻植株, 用卷尺量取株高.选取10穴水稻植株, 将地上部分植株收割, 考察其穗粒结构.之后将水稻进行脱粒后称重, 测定实际产量.
1.3 数据处理与分析用Microsoft Excel 2013进行数据统计分析, 用SPSS 2019统计软件进行方差分析, 采用Duncan检验进行差异显著性分析, 使用Origin 2019进行绘图.
2 结果与分析 2.1 增氧对不同秸秆还田稻田田面水碳氮的影响 2.1.1 增氧对秸秆还田后田面水中COD的影响不同处理下稻田田面水COD动态变化如图 1所示.从中可知, 田面水COD动态变化呈现单峰曲线, 插秧后即秸秆还田后第13 d田面水中COD达到了峰值, 之后平稳下降, 插秧后即秸秆还田后55 d内所有处理均降至20 mg·L-1(GB 3838-2002国家地表水环境质量标准的Ⅲ类水标准)以下. 与秸秆不还田相比, 秸秆还田明显增加了田面水的COD, 以麦秸还田的浓度最高, 蘖肥期最高可达100mg·L-1以上; 油菜秸秆和蚕豆秸秆两处理相差不大, 但后期油菜秸秆处理COD下降速度更快, 插秧后第25 d时, 蚕豆秸秆和油菜秸秆处理田面水COD降至40mg·L-1(国家地表水环境质量标准的Ⅴ类水标准, GB 3838-2002)以下, 而麦秸还田处理则持续到插秧后第48 d才降至40 mg·L-1以下.增氧处理明显降低了秸秆还田后田面水中的COD, 3种秸秆还田处理规律表现一致, COD降幅达到了15% ~32%.
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图 1 不同处理下田面水COD的动态变化 Fig. 1 Dynamic of COD in paddy surface water under different treatments |
不同处理下稻田田面水总氮浓度变化如图 2所示.同等施氮条件下, 与秸秆不还田相比, 秸秆还田对田面水中总氮的影响程度均不大, 不同秸秆处理之间差异也不显著.田面水中氨氮和硝氮含量的变化同总氮一样.增氧处理略微降低了秸秆还田稻田田面水中总氮含量, 总体上对氮素的含量和形态的影响较小.
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图 2 不同处理下田面水总氮浓度的变化 Fig. 2 Dynamic of TN concentration in paddy surface water under different treatments |
由图 3可以看出, 稻田CH4的排放主要集中在移栽后前40 d, 即基肥期和蘖肥期.不同处理间水稻生育期内的CH4排放通量动态变化基本一致：水稻移栽后7 d和27 d左右出现了两次峰值, 此后迅速降低, 移栽40 d后CH4排放通量均低于10mg·(m2·h)-1, 60 d后则低于1mg·(m2·h)-1, 一直保持在较低水平.不同秸秆还田处理之间, 麦秸还田处理CH4排放最高, 显著高于油菜和豆秸还田处理; 豆秸还田处理最低, 但与油菜还田处理间差异不显著.增氧处理降低了秸秆还田后稻田CH4的排放通量, 麦秸还田处理下降幅更加明显, 移栽后27 d降幅高达35%.
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图 3 不同处理下水稻生长期CH4排放的动态变化 Fig. 3 Dynamic of CH4 emission during rice growth stage under different treatments |
N2O的最大排放峰值出现在移栽后40 d即烤田期间(图 4), 基肥期、蘖肥期和穗肥期都出现了较小的排放峰值, 移栽60 d之后N2O的排放通量处在一个稳定较低的水平.与秸秆不还田相比, 秸秆还田处理降低了烤田期N2O的排放峰值.秸秆还田下增氧处理在大部分时间段内降低了N2O的排放通量, 麦秸还田下降幅较为明显.
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图 4 不同处理下水稻生长期内N2O的动态变化 Fig. 4 Dynamic of N2O emission during rice growth stage under different treatments |
水稻生长期内稻田CH4和N2O的累积排放总量显示, 与秸秆不还田相比, 3种秸秆还田后均显著增加了稻田CH4累积排放总量, 麦秸还田、油菜秸还田和豆秸还田处理的甲烷排放量分别是秸秆不还田的4.50、2.23和1.93倍; 但3种秸秆还田处理均降低了N2O累积排放总量, 与秸秆不还田相比, 降幅分别为5.2%、6.0%和6.9%, 差异均达到显著水平(表 1).最终的全球增温潜势(GWP)麦秸全量还田处理是不还田处理的3.97倍, 油菜还田和豆秸还田则分别是不还田的2.03倍和1.79倍.增氧措施同时降低了秸秆还田处理的CH4和N2O排放量, 其中CH4排放分别降低了24.8%(麦秸还田)、18.5%(油菜秸还田)和10.4%(豆秸还田), 3种秸秆还田处理下均达到显著水平, 而N2O排放仅麦秸还田处理达到显著水平; 最终的GWP降幅在9.7% ~24.4%之间, 均达到显著水平.
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表 1 CH4和N2O排放总量及全球增温潜势1)/kg·hm-2 Table 1 CH4 and N2O emissions and GWP/kg·hm-2 |
2.3 增氧对不同秸秆还田稻田产量及其构成的影响
不同处理下的水稻产量结果表明(表 2), 与秸秆不还田对照CK相比, 秸秆还田增加了水稻穗数, 提高了千粒重, 虽然结实率略有下降, 但产量总体表现为增加的趋势, 增幅在6.5% ~7.5%, 但差异未达到统计显著水平, 不同秸秆还田处理间差异较小.而增氧措施对秸秆还田后的水稻产量无显著影响, 与未增氧处理的产量持平.
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表 2 不同处理下水稻的产量及其构成 Table 2 Yield and yield components of rice under different treatments |
3 讨论 3.1 增氧对不同秸秆还田稻田田面水碳氮动态的影响
径流和主动排水是稻田氮磷流失的主要途径, 稻田田面水中的氮磷及COD等是污染物排放浓度的重要决定因素, 其浓度高低可表征径流流失风险的大小[13].本试验发现秸秆还田后稻田田面水COD升高, 这一结果与贾蕾[14]的报道一致.这是由于秸秆本身含有大量活性有机物质, 而秸秆还田腐解后溶于田面水中, 从而对稻田田面水产生影响[15].不同类型秸秆中的C、N等元素组成不同, 会导致还田后秸秆腐解的速率及腐解产物组成有所不同, 进而对稻田土壤以及田面水养分含量的影响也不同.本试验所用小麦秸秆、油菜秸秆和蚕豆秸秆的C/N差异较大, 分别为95.1、50.2和27.1, 且不同轮作方式下秸秆的产生量也不同, 麦秸的产生量远高于油菜秸秆和蚕豆秸秆.而微生物适宜分解有机物的碳氮比为25 ∶1, 加上麦秸还田时带入稻田中的C总量最高, 因此麦秸还田所产生COD明显高于油菜秸秆和蚕豆秸秆还田处理.油菜秸秆还田带入的C总量要高于蚕豆秸秆, 但油菜秸秆还田后COD与蚕豆秸秆还田后却相差不大, 这可能是因为油菜秸秆的累积腐解率大于蚕豆秸秆[16], 加上化肥的适当施用使得油菜秸秆迅速腐解, 其腐解产物很快被土壤固定或被微生物利用转化为CO2或CH4释放到空气中.增氧处理通过为稻田水土界面不断提供新鲜空气, 抑制了土壤中还原性有机物的产生[17], 不仅减轻了秸秆还田对水稻秧苗根系的毒害效应, 同时为好氧微生物提供了良好的生长环境, 而好氧微生物生长需要大量有机物, 使得田面水中大量有机物被微生物同化利用, 进而降低了田面水中COD.
秸秆还田腐解后会释放一定的氮素, 有利于提高土壤中的全氮水平[18].本研究发现, 秸秆还田处理降低了田面水中总氮浓度, 这可能是因为秸秆还田使得土壤中碳含量增加, 土壤中微生物为满足自身对养分的需求, 吸收固定了肥料释放的部分氮素[19].增氧处理改善了稻田土壤的通气性, 改善了水稻根系状况, 有利于水稻对氮素的吸收和利用[20].
3.2 增氧对不同秸秆还田稻田温室气体排放的影响CH4的排放过程分为产生、氧化和传输这3个阶段, CH4的最终排放量只占CH4产生量的一小部分, 大部分CH4在根际微氧区和水土界面被甲烷氧化菌氧化[21, 22].稻田淹水之后, 稻田土壤中的O2被好氧细菌逐渐消耗, 使得厌氧菌分解成产甲烷基质, 产甲烷菌利用这种厌氧环境产生甲烷[23].增氧处理在一定程度上增加了稻田田面水和表层土壤中的溶解氧浓度, 打破了水稻田中厌氧环境, 抑制了产甲烷菌的代谢活动, 提高了甲烷氧化菌的数量和活性, 使得稻田中产生的CH4更容易被甲烷氧化菌氧化, 因此增氧处理显著降低了前期秸秆还田后的甲烷排放通量(图 3)和累积排放量(表 1).晒田期本身的富氧环境以及之后复水后稻田甲烷排放较低, 因此此期增氧处理对甲烷排放的削减效果不显著.
稻田土壤中N2O的产生主要是硝化作用和反硝化作用的结果.有研究发现, 在大多数情况下反硝化作用对N2O排放的贡献比硝化作用更大[24].这主要是因为稻田田面水形成了厌氧环境, 这一环境更适宜于反硝化作用而不利于硝化作用.本试验N2O的排放峰值主要集中在施肥后3~4 d内和晒田期, 这一结果与前人研究的结果相类似[25].这主要是因为施肥后, 氮肥水解产生NH4+直接参与了微生物的硝化反应, 同时生成了反硝化微生物的底物NO3-, 这造成了N2O的排放增加[26].在水稻晒田时期, 随着稻田环境逐渐变成好氧环境, 土壤中的铵态氮被转化为硝态氮, 促进了反硝化作用[27].本试验研究发现秸秆还田会降低稻田N2O排放, 主要原因是秸秆还田带入大量的碳从而使得氮源相对不足, 加强了微生物对有效氮的固定, 并能抑制硝化和反硝化作用, 从而使N2O排放量减少.增氧处理为稻田提供了一定的氧环境, 硝化作用增强, 但反硝化细菌的活性减弱, 因此N2O的排放通量会受到两方面相互作用的影响, 本研究下最终呈现出略微下降的趋势(表 1).
3.3 增氧技术的可行性分析当前较为常见的增氧方法分为机械增氧、化学溶氧、文丘里空气射流计增氧和微纳米增氧[28].其中机械增氧技术应用较为普遍, 是因为机械增氧是通过机械设备(如气泵)向水体中充入氧气, 操作较为简便, 但耗费电能; 化学溶氧主要是利用化学试剂(过氧化钙、双氧水等)与水反应, 提高水体中溶解氧浓度, 这一措施相比机械增氧, 节约人力, 但是化学试剂的投入对于水体等环境的影响是不可预计的; 文丘里空气射流增氧技术虽然可以更有效地混合空气和水, 但水流流速慢时增氧效果不好; 微纳米增氧技术不仅能够提供充足的氧气, 形成的微纳米气泡还具有比表面积大和停留时间久等优点, 不过当前该机器的成本比较高.综上所述, 机械增氧技术是一种较为理想的方式.
本试验采用ACO电磁式空气泵, 其功率为45 W, 单个空气泵可同时连接6个气泡盘同步进行曝气.在整个稻季共计增氧次数为35次, 每次增氧2 h, 由此计算整个稻季的电费约为0.2元·m-2, 仪器设备共计约400元, 处理成本相对较低.其次是环境效益显著, 本研究发现增氧处理对水稻产量并没有影响, 但显著减少了温室气体的排放, 降低了田面水中COD浓度, 减少了COD排放的风险.下一步应根据秸秆还田稻田甲烷排放的规律, 深入探讨不同时期增氧、增氧时间和时长对秸秆还田温室气体排放的影响, 从而提高技术的针对性并降低成本.
4 结论秸秆还田小幅增加了水稻产量, 但显著增加了稻田田面水COD, 并显著促进了稻田CH4排放, 导致GWP显著提高, 麦秸还田的负面效应>油菜秸秆还田>豆秸还田.增氧措施不影响水稻产量, 但能降低秸秆还田后田面水的COD, 减少其排放风险, 并显著降低了秸秆还田后温室气体的排放, 具有稳产减排的作用.
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