2019, Vol. 40
温室气体特别是CH4、N2O和CO2的排放速率持续增长[1], 使得全球变暖的形势面临重大挑战, 如何采取有效措施减少温室气体排放是各国学者研究的热点问题.稻田是温室气体的重要排放源, 温室气体减排有很大的空间[2].
重庆市稻田面积109万hm2, 占全市总耕地面积的48.80%, 其中冬水田面积52.8万hm2占稻田面积的48.44%[3].已有大量研究表明, 冬水田CH4排放量较高, 对温室气体的排放有重要贡献[4, 5], 且由于冬季淹水休闲, 无农作物产出, 并不能创造很好的经济效益.随着经济和水利技术的快速发展, 越来越多的冬水田转变为水旱轮作农田, 提高了农作物产量和经济效益.近年来, 在全球气候变暖的背景下, 冬水田轮作方式的转变对温室气体排放的影响也引起了学者的关注.有研究显示, 冬水田转为水旱轮作农田后对温室气体有一定的减排作用, 但由于轮作方式的不同对温室气体减排的影响也有所差异[6].目前关于轮作方式对温室气体排放的影响主要集中在水稻-小麦轮作以及水稻-油菜轮作等粮油作物上[7~9].
蔬菜地是一种特殊的旱地农业生态系统, 具有复种指数高、灌溉频繁和施肥量大的特点, 因此容易引起氮肥利用率下降[10]、氮素淋失[11]和土壤酸化[12]等一系列环境问题, 并会导致温室气体大量排放[13].为此, 有学者提出了旱生蔬菜与水生作物轮作的栽培制度[14], 且已有研究发现, 采用水稻-儿菜轮作后明显提高了氮、磷、钾化肥利用率, 减轻了菜田氮、磷过度积累, 对降低氮素面源污染有正向作用[15~17].但目前关于水稻-儿菜轮作对温室气体排放的影响还鲜见报道.因此, 本试验以西南地区典型的冬水田(RF)、水稻-油菜轮作农田(RR)及水稻-儿菜轮作农田(RV)为研究对象, 探讨轮作方式对农田生态系统CO2、CH4和N2O排放的影响, 以期为西南地区稻田温室气体减排提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况本试验地点选在西南大学农业部重庆紫色土生态环境重点野外科学观测试验站内, 坐标为东经106°26′, 北纬30°26′, 海拔230 m.土壤为紫色砂泥岩母质上发育的中性紫色水稻土, 土壤的基本理化性质为：有机质25.29 g·kg-1, 全氮含量约1.35 g·kg-1, 碱解氮56.62 mg·kg-1, 总磷含量646.00 mg·kg-1, 有效磷5.94 mg·kg-1, 总钾含量9.44 g·kg-1, 有效钾102.47 mg·kg-1, pH 6.83.试验期间当地的日平均气温和降雨量的季节变化见图 1.最低温度出现在1月, 为1.17℃, 最高温度出现在8月, 为35.47℃, 年平均温度19.40℃.年总降雨量为760.03 mm, 主要集中在4~9月, 其中6月降水量最多, 达到200.57 mm, 占全年总降水量的26.39%.年均日照为1276.7 h, 年均无霜期为334 d.
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图 1 试验期间气温和日降雨量的变化 Fig. 1 Variations of the daily air temperature and precipitation during the experimental period |
本试验共设冬水田(RF)、水稻-油菜轮作(RR)和水稻-儿菜轮作(RV)这3个处理.每个处理设置成规格为5.2 m×2.5 m的单个小区, 各处理分别设置3个重复.试验观测从2015年10月29日起至2016年10月21日止.具体试验处理及施肥状况见表 1.其中有机肥为重庆市盖丰生物肥[总养分(N+P2O5+K2O)≥5.0%有机质≥45%, 枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌及有效活菌数≥0.2亿·g-1].
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表 1 试验处理详情 Table 1 Description of experimental treatments |
1.2.2 气样采集与分析
本试验采用静态暗箱法采集CH4和N2O.用于气体采集的暗箱设计成分节组合式标准箱, 由顶箱、延长箱和底座组成.静态暗箱的顶箱和延长箱均由不锈钢制成, 箱体尺寸为50 cm×50 cm×50 cm, 箱体外覆白色棉被, 防止在太阳辐射下箱内温度升高.顶箱上部装有2个轴流扇, 用于混合箱内气体, 侧面安装有电源插头和气体样品采集口.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50 cm×50 cm×20 cm不锈钢底座上, 用水密封.采样频率为每周一次, 每次采样时间控制在上午09:00~11:00进行.暗箱采集CH4和N2O的时长约为30min, 间隔10min采样一次, 共采集4个气样.本研究采用静态明箱法进行CO2净交换通量的测定, 明箱由聚碳酸酯制成, 箱体尺寸为50 cm×50 cm×100 cm, 其他构造与暗箱相同.明箱采集CO2的时长通常控制在6 min左右, 相隔2 min采集一次气体, 共采集4个气样.该方法与Zhang等[18]在三江平原沼泽湿地的报道相似, 并在一些已有的研究中进行了验证[19~22].两种采样方法在同一天进行, 先用暗箱法采集气体样品, 30min采样结束后, 移开暗箱, 待大约10min后, 再罩上明箱采集气体样品.气样采集后立即带回实验室分析, 气样分析采用安捷伦GC-7890A气相色谱仪进行, CO2和CH4用FID检测器测定浓度, N2O用ECD检测器测定浓度, 标准气体由中国计量科学研究院提供.气体的排放通量采用以下公式(1)计算, 并通过内插累加法求得季节或全年的CO2、CH4和N2O排放总量.
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(1) |
式中, F为温室气体排放通量, mg·(m2·h)-1; H为采样箱高度, cm; T为采样箱内温度, ℃; p为采样时的大气压, Pa; p0为标准状况下的大气压, Pa; ρ为被测气体的密度, g·cm-3; dc/dt为采样期间采样箱内气体的浓度变化速率.排放通量为正表示排放, 反之为吸收.
全球增温潜势(GWP)可用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响, 以CO2当量值表示.在100 a时间尺度上, 单位质量CH4和N2O的GWP分别为CO2的28倍和265倍[1]. GWP的计算如下：
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(2) |
式中, f(CO2)为CO2净排放量(kg), f(CH4)为CH4排放量(kg), f(N2O)为N2O排放量(kg).
1.2.3 其他影响因子测定在气体样品采集的同时, 观测箱内外气温、土壤表层及地下5 cm温度, 由JM624型便携式测温计测定.
在每次采集气体后, 用多点采样法(3个点)分别采集各处理0~20 cm深土样, 样品带回实验室一部分放入4℃冰箱保存, 另一部分风干过筛.采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳(SOC)含量; 半微量凯氏定氮法测定土壤总氮(TN)含量; 靛酚蓝比色法测定铵态氮、硝态氮; 烘干法(105℃±2℃)测定土壤含水率; 碱解扩散法(40℃, 恒温培养24 h)测定碱解氮[23].
1.2.4 数据处理采用Origin 8.5软件进行作图, 运用SPSS 19.0软件对各种数据进行统计分析, 用最小显著差数法(LSD)比较各处理间差异显著性(P < 0.05).相关关系采用Pearson相关统计进行分析.
2 结果与分析 2.1 CH4排放通量图 2为整个观测期内不同处理下农田CH4排放通量的季节变化.从中可以看出, 3种处理下, CH4排放集中在水稻生长季, 且均呈双峰型排放.各处理在淹水移栽水稻后CH4排放都逐渐增大, 在水稻移栽后第36 d左右出现第一次排放峰值, RF、RV、RR处理的排放通量分别为(20.07±1.62)、(3.63±0.18)、(10.38±1.03) mg·(m2·h)-1; 然后在移栽后第64 d左右出现第二次排放峰值, 排放通量分别为(16.09±0.90)、(5.96±0.61)、(10.05±1.23) mg·(m2·h)-1.随后各处理CH4排放逐渐下降, 在生长季末期CH4排放通量趋于零, 且无明显波动.
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图 2 2015~2016年3种不同处理CH4排放通量 Fig. 2 CH4 emission fluxes based on three different treatments from 2015 to 2016 |
在非水稻季, RF处理的CH4排放整体呈现出先降低再升高的趋势, 排放集中在2~5月, 平均排放通量为(2.70±0.13) mg·(m2·h)-1.而RV与RR处理的CH4排放规律与RF处理有明显不同, 它们在非水稻季的排放量变化很小, 且长期维持在较低水平.
2.2 N2O排放通量图 3为整个观测期内3种不同处理下农田N2O排放通量的季节变化.从中可以看出, 3种处理下N2O排放的季节变化趋势存在明显差异. RF处理的N2O排放集中在水稻种植期, 呈单峰型变化, 变化范围为-3.47~77.32 μg·(m2·h)-1.而在非水稻季, 特别是水稻种植前期, N2O排放通量很低, 且多次出现N2O吸收的情况, 最强烈的两次吸收值出现在3月5日和4月23日, 此时N2O排放通量分别为(-47.45±7.96)μg·(m2·h)-1和(-47.37±7.65) μg·(m2·h)-1.
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图 3 2015~2016年3种不同处理N2O排放通量 Fig. 3 N2O emission fluxes based on three different treatments from 2015 to 2016 |
与RF处理不同, RV处理的N2O排放主要集中在非水稻季.在儿菜种植期间N2O排放通量先上升后短暂下降再上升, 在1月30日后维持较高排放, 呈单峰型, 排放峰值为(1246.78±525.55) μg·(m2·h)-1.在儿菜收获后, N2O仍维持较高排放, 并在收获后的第23 d又出现了一个N2O排放峰, 峰值为(1230.68±81.76) μg·(m2·h)-1.进入水稻季, N2O排放量明显下降, 只在水稻施肥一周后出现了一个排放峰值, 之后N2O排放通量降低, 偶有负值出现, 水稻季N2O通量变化范围为-44.15~515.95 μg·(m2·h)-1.
RR处理N2O排放也主要集中在非水稻季, 但N2O排放规律却与RV处理有明显差异. RR处理在油菜种植初期施肥后就出现了一个非常高的N2O的排放峰值(4362.32±329.45) μg·(m2·h)-1, 之后迅速降低, 12月之后N2O排放量小且无明显波动.进入水稻季, RR处理的N2O排放量仍保持在较低水平, 在7月出现了一个较大的N2O吸收值(-170.97±32.45)μg·(m2·h)-1.
2.3 CO2排放通量图 4为整个观测期内3种不同处理下农田CO2排放通量的季节变化.在非水稻生长季, RF处理总体表现为CO2的弱排放源, 只在11月前后和2月下旬出现了CO2吸收的情况, 平均排放通量为(32.33±14.64) mg·(m2·h)-1. RV与RR处理在非水稻季平均排放通量为(-63.21±26.85) mg·(m2·h)-1和(-529.78±63.25) mg·(m2·h)-1, 表现为CO2吸收. RV与RR处理在非水稻季CO2吸收集中在作物生长期, 呈多波谷排放.
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图 4 2015~2016年3种不同处理CO2排放通量 Fig. 4 CO2 emission fluxes based on three different treatments from 2015 to 2016 |
在水稻季, 3种处理都表现为对CO2的净吸收, 且变化规律相似.在水稻插秧后就开始表现为CO2吸收, 随着植物的不断生长, CO2吸收逐渐加强. 3种处理都在6月出现了最大的CO2净吸收值, RF、RV和RR分别为(-1165.82±106.57)、(-1480.37±245.58)和(-1464.87±448.99) mg·(m2·h)-1.随后CO2吸收量开始减弱, 在水稻收获后有微弱的CO2排放.
2.4 不同轮作方式下CO2、CH4和N2O的年排放量和全球增温潜势GWP表 2是对全年3种处理下农田CO2、CH4和N2O排放总量的计算结果.从中可以看出, 3种处理均表现为CH4和N2O的排放源及CO2的吸收汇.对于CH4排放量, 3种轮作方式在水稻季、非水稻季以及全年上均存在显著性差异(P < 0.05), 均表现为RF最高, RR次之, RV最低.相比于RF, RV处理水稻季、非水稻季及全年CH4排放量分别降低了82%、98%和88%, RR处理分别降低了52%、95%和69%.对于N2O排放量, 不同处理之间在水稻季、非水稻季以及全年上差异均达到显著性水平(P < 0.05), 水稻季RV处理显著高于其他2种轮作方式(P < 0.05), 而非水稻季和全年则RV和RR处理显著高于RF(P < 0.05); RV和RR处理N2O年排放量比RF分别增加了44和41倍.对于CO2排放量, 不同处理在水稻季、非水稻季以及全年上差异显著(P < 0.05), 表现为冬水田转变为水旱轮作后, 由非水稻季的排放源转变为吸收汇, 而水稻季的吸收汇则更强, RV与RR处理对CO2的年吸收量分别是RF处理的2.07倍和3.94倍.
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表 2 不同处理下3种温室气体的季节及年累积排放量1) Table 2 Annual total emission of the three greenhouse gases based on different treatments |
表 3为3种处理下农田温室气体排放量的全球增温潜势.从中可以看出, 3种处理下的GWP主要取决于CO2. RF、RV和RR年GWP(以CO2计)分别为-2.11、-22.01和-46.43 t·hm-2, 差异显著(P < 0.05), 表明3种轮作系统都是大气温室气体的吸收汇, 且冬水田转变为水旱轮作后, 对温室气体的吸收量大大增强, 尤其是RR处理, 对温室气体的吸收作用最强.
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表 3 不同处理3种温室气体的全球增温潜势(GWP) Table 3 Corresponding CO2 equivalents of the three greenhouse gases based on different treatments |
3 讨论 3.1 不同轮作方式对CH4排放的影响
本试验中RF处理的CH4主要排放集中在水稻季, 排放通量介于-0.01~20.07 mg·(m2·h)-1, 与大多数研究结果相近[5, 7].在水稻季CH4的变化规律呈双峰型, 两个排放峰值分别出现在水稻分蘖盛期和抽穗期, 这与郑土英等[24]的研究结果一致.这是由于在分蘖盛期水稻根系分泌速率增加和稻茬的分解发酵为产甲烷菌提供了底物导致CH4的排放加剧[25].在抽穗期, 由于死根增多, 甲烷氧化作用减弱, 植物运输能力强, CH4通量较高.在非水稻季, CH4排放通量较水稻季偏低, 累积排放量为(164.74±13.27) kg·hm-2, 与张怡等[26]在川中丘陵得出的结果相近, 原因如下：一是非水稻季的温度低, 低温会降低产甲烷菌活性.另外, 温度低时CH4在水中的扩散很慢, CH4在传输过程中会进行再氧化[27].二是非水稻季没有种植作物, 相比有植株情况下, CH4排放速率低.大量研究显示水稻植株以根系分泌物和凋落物的形式为产甲烷菌提供了碳源[28, 29];其次, 水稻植株能够利用自身通气组织向根际泌氧为产甲烷菌创造有氧环境[30, 31];另外, 水稻植株也是甲烷的主要传输通道, 稻田土壤中产生的CH4主要通过植株排放[32, 33].
与RF处理相比, RV与RR处理全年的CH4排放总量显著地降低了(P < 0.05).这与大多数研究结果一致[7, 8], 因为RV与RR处理在非水稻季排水种植作物, 此时土壤暴露在空气中, 土壤氧化还原电位提高, 还原物质通过各种氧化过程而被转化为氧化态, 导致在此时期的CH4排放量很低.在水稻季, RF处理一直保持淹水状态, 土壤Eh一直维持在适合CH4生产的水平上, 而RV与RR处理重新淹水种植水稻, 使得还原物质和土壤Eh下降到适合产甲烷活动的范围的时间增加, 从而降低了CH4的排放[34].另外, RV与RR处理CH4排放量在水稻生长季差异显著, 可能是由于RR处理下SOC含量较高所致.观测结果表明, 在水稻季RV与RR处理下SOC含量分别为11.78 g·kg-1和15.72 g·kg-1, 有研究显示CH4排放与SOC含量之间存在显著的线性正相关关系[35]. SOC含量越高, 就为产甲烷菌厌氧分解提供越多的底物, CH4排放量就越大.
3.2 不同轮作方式对N2O排放的影响本试验中RF处理在非水稻季表现为N2O的弱汇, 已有研究发生过类似状况[36], 可能是由于在非水稻季没有施肥, 土壤中NO3-含量低, 加上冬水田长期处于淹水状态使得水稻土的还原环境很强, N2O产生后被还原成N2, 从而表现为对N2O的吸收[37].此外, 在非水稻季RF、RV和RR处理下SOC含量分别为23.02、12.56和13.31 g·kg-1, RF显著高于其他处理(P < 0.05).土壤有机碳是控制反硝化菌群落的主要因素之一, 且土壤N2产量与土壤有机碳的可利用率紧密相关, 高浓度的可用有机碳能够强化土壤的厌氧环境, 故有机碳含量高时可能导致N2O吸收[38].在水稻季, RF处理为N2O排放源, 累积排放通量为(0.68±0.13) kg·hm-2, 与张岳芳等[39]的研究结果0.53 kg·hm-2相近.
两种水旱轮作处理在非水稻季的N2O排放较高, 主要是由于土壤干湿交替, 以及施肥引起的.在本试验中RV与RR处理在非水稻季的N2O累计排放通量无明显差异, 但N2O排放规律却有明显不同.出现这种差异是由于RR处理在油菜季施化学肥, 3种肥料混合作为底肥一次性均匀播撒.由于在种植前期油菜的植株较小, 对施入农田中的化肥利用极为有限, 此时若碰上降雨, 就会刺激产生大量的N2O, 导致稻油轮作刚开始就出现了较大的N2O排放峰值.而RV处理采用的是有机无机肥配施, 由于蔬菜生长周期短, 生长发育前期对氮素的需求量比较大, 所以在施肥后相比油菜植株对肥料的吸收效率高, 导致初期并未出现整个生长期的N2O排放峰值.且有机肥肥效缓长, 前期氮素供应能力不及化学氮肥[40], 所以在前期儿菜植株吸收的氮素主要来自于化学氮肥, 减少了N2O前期的排放量.而到了儿菜生长末期, 随着温度升高, 微生物活性增强, 土壤中丰富的有机物质激发土壤中硝化反硝化作用导致此时N2O的排放加剧[41].
在水稻季RV处理整体表现为N2O排放, 且RV处理的N2O排放显著高于RF处理(P < 0.05).这是由于RV处理前茬作物为儿菜, 施肥量大, 儿菜收获后残留于土壤中的肥料氮会增加水稻季的N2O排放.在水稻季RF、RV和RR处理铵态氮与硝态氮的总含量分别为45.52、71.03和38.15 mg·kg-1, RV显著高于RF与RR处理(P < 0.05), 为N2O排放提供了充足的氮源, 促进了N2O的排放.
与RF和RV处理不同, RR处理在水稻季的N2O排放较低, 且在7月出现了几次较强的N2O吸收的情况, 故在水稻季整体表现为N2O弱汇.这在其他研究中也发现过类似状况[7, 42]. N2O在稻季出现吸收情况的影响因素很多, 本试验中可能主要是由田间淹水深度和土壤含N量导致的.在水稻季3种处理的平均淹水深度都在10cm左右.有研究指出, 淹水深度会影响N2O在土壤中的扩散, 当N2O在水中的传输减慢时, 其在水中溶解的可能性很高, 溶解后的N2O可能进一步反应转化为N2, 导致N2O吸收[43].在本试验中, RR处理相比RV与RF处理在稻季出现的N2O吸收值高, 这可能是由于RF与RV处理在水稻季进行了追肥处理.有研究表明, 氮肥水平提高增加了稻田细菌群落多样性, 促进了稻田N2O排放[44].而RR处理是一次性施肥且没有进行追肥处理, 土壤中硝态氮和铵态氮的总量低于RF与RV处理.硝态氮和铵态氮本身能以底物形式参与反硝化或硝化作用, 通过影响微生物反硝化酶系统和群落分布而影响N2O排放, 所以当土壤中N素含量低时, 会出现N2O吸收的现象[45].
3.3 不同轮作方式对CO2排放的影响CO2通过植物的光合作用变为有机碳进入土壤, 稳定和增加土壤碳库, 是农田生态系统中固碳的重要过程[2]. RF处理在非水稻季的排放量不大且无明显波动, 是因为在此期间没有施肥和另外种植作物, 只有在再生稻生长和春季回暖后表现为微弱的CO2吸收, 其余时间以土壤呼吸释放CO2为主, 且冬水田长期淹水, 土壤湿度大, 不利于CO2产生[46].而RV和RR处理, 由于在冬季种植作物, 表现为对CO2的净吸收, 这与吴东星等[47]的研究结果一致.其中RR处理在非水稻季的CO2净吸收量显著大于RV处理(P < 0.05), 这主要是由于不同植物地上地下总生物量的不同, 即不同植被提供的基质数量与质量不同, 光合作用吸收空气中CO2进行固碳的能力不同[48]导致的.油菜相比儿菜植株大, 种植时间长, 所以在非水稻季RR处理的CO2净吸收通量显著大于RV处理.
进入水稻季, 3种处理的CO2排放通量变化相似, 都表现为对CO2的净吸收.这是因为在水稻种植期间, 随着水稻植株的生长农田CO2的吸收速率增加, 在生长的中期达到峰值, 随后逐渐减少, 变化趋势与苏荣瑞等[49]的研究结果一致.水稻生长过程中, 由于田间长期处于淹水状态, 土壤呼吸作用较弱, 农田中CO2的排放主要来自植物呼吸和光合作用, 因此, 植物的生长情况和气温变化都会影响水稻田CO2排放通量[50].植物长势越好, 光合作用越强, 吸收的CO2多. RV处理在蔬菜种植季采用有机无机肥配施, 相较油菜只施无机肥, 施肥量大.且儿菜生长周期短, 土壤中累积养分多, 进入水稻季土壤淹水, 能消耗累积的土壤养分, 从而使得RV处理的养分充足, 促进水稻生长, 对CO2的净吸收通量大.
4 结论(1) 2种水旱轮作方式相比冬水田都能有效降低CH4排放量, 同时明显地促进了N2O的排放及CO2的吸收量, 其中RV处理全年的CH4排放量最低, RR处理全年的CO2吸收量最高.
(2) 相比于冬水田, 2种水旱轮作方式对大气温室气体都有明显的增汇作用, 其中RR处理的增汇效果更好.
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