2019, Vol. 40
2. 海南省琼海市农业技术推广服务中心, 琼海 571400
, WU Yan-zheng1 , TANG Shui-rong1 , HU Yu-lin1 , LAI Qian-qian1 , WEN Dong-ni1 , MENG Lei1
, WU Chuan-de2
2. Qionghai Agro-technical Extension Center, Qionghai 571400, China
全球气候变暖与人类生活和环境息息相关, 气候变暖影响程度大小及其可能性已成为全球性的关注议题.大气中温室气体浓度的大幅度增加与全球变暖密切相关.氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)是两种重要的温室气体, 其对增温贡献仅次于二氧化碳[1]. 100 a时间尺度上, 其单位质量的增温效应分别是CO2的25倍和298倍[2].
水田是温室气体重要的排放源.稻田N2O和CH4年排放量分别为138~154 Gg和7.7~8.0 Tg[3], 对稻田采取适当的减排措施, 可大幅降低温室气体的排放.水田温室气体排放受土壤类型、作物种类和气候类型等因素影响, 具有很大的不确定性[4, 5].准确编制N2O和CH4排放清单, 就应针对不同气候区、土壤类型、作物和管理措施, 广泛开展N2O和CH4的田间原位监测.我国对农田N2O和CH4排放也开展了大量的研究, 但N2O和CH4排放原位观测的农田仅集中于温带和亚热带地区[5, 6].热带地区水田土壤N2O和CH4的排放鲜见报道.
海南地处热带, 水稻-冬季瓜菜轮作已取代原来水稻单作模式.水稻-冬瓜菜种植过程中肥料施用主要集中于冬瓜菜季, 瓜菜季施用的化肥养分远超作物生长的需求, 下茬水稻可利用上茬养分残效[7], 而水稻季施肥量也较大.以往的研究结果表明, 施用化肥多的热带地区土壤N2O的排放量也较高[8, 9].例如, 我国热带地区香蕉园土壤N2O年累积排放量和排放系数分别达到6.39~12.8 kg·hm-2和1.46%~2.31%[10].热区较高的温度也有利于土壤和作物的碳代谢从而增加CH4排放[11].因此热带地区水田也可能存在较高N2O和CH4排放, 研究缓解这两种温室气体的排放措施对缓解气候变化有重要的作用.实现减排增产的施肥措施包括科学配置肥料、有机肥替代化学肥料以及施用新型肥料等, 但不同施肥模式对海南热区稻田温室气体排放影响的研究尚未见报道.
Zhong等[12]的研究表明, 大部分农田土壤化肥施用量超标, 适当减少化肥用量能够提高化肥利用率, 同时也能减少相应地温室气体排放, 但减量施肥也可能导致作物产量的下降.长效复合肥添加剂(NAM)是由脲酶抑制剂和硝化抑制剂等成分有机组合而成的, 通过延长肥效期从而对土壤和肥料氮素转化起到了综合调控作用[13].邓军波等[14]的研究表明, 施用NAM缓释肥比尿素有效促进了水稻分蘖, 增产16%.同时, 有机和无机配施也能有效提高土壤碳库水平, 促进作物生长发育, 提高作物产量[15], 但关于添加抑制剂和有机无机配施处理对相关温室气体排放的影响却存在一定的争议[16, 17].因此, 探究既能保证水稻产量又能实现减排的施肥模式, 对缓解全球气候变暖以及补充热带地区温室气体排放研究的不足具有重要意义.
为此, 本文以热区稻田为研究对象, 在当地常规施肥量的基础上设置减氮处理, 并结合不同氮肥的搭配使用等措施, 系统地分析不同施氮处理下热区稻田CH4和N2O排放, 并结合水稻产量和温室气体排放强度, 以期为我国热区稻田合理施肥和温室气体减排提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验点概况本试验地点位于海南省澄迈县桥头镇西岸村(110°04′E, 19°56′N).属于热带季风气候, 年平均气温23.80℃, 年均降雨量1 786.10 mm, 年平均日照时数2 059 h.当地种植模式多为水稻-冬季瓜菜.土壤为滨海沉积物母质发育的沙壤土, 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 chemical and physical properties of soil |
1.2 试验设计
田间试验共设5个处理, 即：空白对照, 只施磷肥和钾肥(CK)、常规对照, 当地农民施肥方式：复合肥、氮肥以及磷钾肥作为基肥, 追肥为复合肥和钾肥(CON)、优化施肥：在常规基础上优化施肥量, 并按照基肥60%, 孽肥25%, 穗肥15%, 追肥为尿素(YH)、优化施肥与缓控释肥配施：60%基施的氮肥用缓控释肥替代, 追肥为尿素(ZHY1)、优化施肥、缓控释肥、有机肥三者配施：60%基施的氮肥中, 一半的氮量由有机肥替代, 一半的氮量由缓控释肥替代, 追肥为尿素(ZHY2).缓控释肥为尿素(N 46%)与肥料用量的8‰ NAM混合; 有机肥为羊粪商品有机肥(N 1.49%、P2O5 2.99%和K2O 0.20%).具体施肥方案见表 2.
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表 2 田间施肥方案1)/kg·hm-2 Table 2 Field fertilization scheme/kg·hm-2 |
水稻供试品种为特Ⅱ优978.于8月10日进行插秧, 在插秧前取土, 测定试验田土壤基本理化性质见表 1, 8月21日下午施入基肥, 次日下午灌水, 9月7日施入分孽肥, 10月2日施入穗肥, 11月2日收获.其他农田管理措施与当地常规管理一致. 9月1~14日晒田, 晒田期之前水稻田一直持续淹水, 晒田后按照灌水-复水后间歇性灌水-收获前落干调控水分.
试验田各小区随机区组排列, 每个处理3个重复, 每个小区58.88 m2(9.20 m×6.40 m), 各个小区四周起垄, 分别用塑料薄膜覆盖隔开, 以防窜水窜肥.
1.3 样品采集与测定气体样品采集采用密闭静态暗箱观测法, 观测日期为2017年8~11月.采样箱为PVC材料制成的静态暗箱.外部包裹有泡沫塑料的保温层防止阳光照射温度升高过快.规格为50 cm×50 cm×50 cm, 箱体中部安装抽气孔和插温度计孔用于采集气体和观测箱内温度变化.采样底座为四周带有凹槽的正方形框, 采集气体时将采样箱置于底座凹槽内, 水槽中加入适量水防止漏气形成密闭环境, 并用100 mL针管反复抽动几次混匀箱内气体, 从采气箱上部抽气孔处抽气.每个小区分别于盖上箱子的0、10及20 min连续抽三管气样, 注入抽成真空的采气瓶中.采气时间一般为上午的08:00~11:00.气体一般一周采集一次, 采气日期根据施肥情况来确定, 施肥后则加密采集气体, 分别在施肥后的1、3和5 d采集, 之后恢复7 d一次, 晒田期也有加密采样.采集的气样带回实验室用气相色谱仪(岛津GC-2014)分析.田间气体采集的同时, 用温度计同步测定箱内温度, 用便携式电导率仪(Bante220, 上海般特仪器制造公司)测定土壤Eh及5 cm土层温度.采集各处理田面水, 用靛蓝比色法(625 nm)和紫外双波长(220 nm和275 nm)分光光度法测定铵态氮和硝态氮含量.
1.4 数据处理与分析方法N2O、CH4排放通量计算公式：
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(1) |
式中, F为N2O-N排放通量[μg·(m2·h)-1], CH4-C排放通量[mg·(m2·h)-1]; ρ为标准状态下N2O-N和CH4-C的密度, 分别为1.25g·L-1和0.54g·L-1. V为采气箱的体积(m3); A为采气箱所覆盖的土壤表面积(m2); Δc/Δt为N2O、CH4的排放速率; T为采集气体时采集箱内的平均温度(℃).
温室气体(单季稻)累计排放量(Ec, kg·hm-2)计算公式：
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(2) |
式中, n为稻季期间观测次数; Fi和Fi+1为第i次和第i+1次采气时, 温室气体的排放通量[μg·(m2·h)-1或者mg·(m2·h)-1]; ti+1和ti为第i+1次和i次采样的时间间隔(d).
在100 a尺度上应用IPCC 2013[2]给出的公式计算综合温室效应(CO2-eq, kg·hm-2)：
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(3) |
式中, 单分子CH4、N2O所引起的综合温室效应(GWP, kg·hm-2, 以CO2当量计)分别是CO2的25和298倍.
温室气体强度(GHGI, CO2-eq, kg·hm-2)是单位产量的综合温室效应：
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(4) |
式中, Y为作物产量(kg·hm-2).
2 结果与分析 2.1 晚稻N2O排放通量及累积排放量的特征N2O排放主要集中在施用分孽肥后, 而施用基肥后一星期内, 无排放峰值(图 1). CON、YH和ZYH1处理分别在施入分蘖肥后出现了一次排放高峰, 分别为1010.7、329.1和653.0μg·(m2·h)-1, 其N2O排放主要集中于晒田期, 分别占整个观测期的18.31%、14.08%和14.08%.相比CON、YH以及ZYH1, ZYH2和CK在整个观测期N2O排放变化不明显, 均维持在较低水平.水稻收获前一个月各处理均未出现排放峰值.各处理N2O累积排放量高低顺序为：CON>ZYH1>YH>CK>ZYH2, 分别为3.40、1.44、1.03、0.78和0.44 kg·hm-2. CON处理显著高于其它各处理(P＜0.05).
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施肥时间，从左至右分别为基肥、蘖肥以及穂肥 图 1 晚稻季N2O和CH4排放变化 Fig. 1 Dynamics of N2O and CH4 flux in late rice growing seasons |
晚稻季各处理CH4排放主要集中在水稻生育前期, 后期CH4排放迅速下降至最低值, 排放量几乎为零(图 1).施用基肥后第5 d, CON和ZYH1处理达到第一个排放峰值, 分别为11.95mg·(m2·h)-1和7.22mg·(m2·h)-1.施入分蘖肥后, CON处理和ZHY1再次达到第二个峰值, 分别为16.22mg·(m2·h)-1和22.33mg·(m2·h)-1.施入基肥后第10 d, CK、YH和ZYH2达到峰值分别为22.29、16.39和16.72mg·(m2·h)-1.之后N2O排放速率逐渐降低至最低值. CH4累积排放量高低顺序为CK>YH>ZYH1>CON>ZYH2, 分别为175.70、63.00、62.80、60.30和56.60kg·hm-2(图 2). CK处理CH4累积排放量显著高于其它处理(P＜0.05).
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同一图中不同小写字母表示差异显著（P < 0.05） 图 2 晚稻季N2O和CH4累积排放量 Fig. 2 Cumulative emissions of N2O and CH4 during late rice growing seasons |
温室气体排放通量与环境因子的相关性分析表明(表 3和表 4), 水稻生长期内, N2O的排放量与5 cm土温和Eh的相关性不显著(P＞0.05), CH4排放通量与Eh呈显著负相关(P＜0.05), 与土壤温度呈显著正相关(P＜0.05), 其中CK和ZYH2处理与5 cm土温和Eh呈极显著正相关(P＜0.01).各处理N2O和CH4排放通量与田面水NO3--N浓度变化相关性不显著.除CON和YH处理呈显著负相关外(P＜0.05), 其它处理N2O排放与田面水NH4+-N浓度变化无显著相关性(P＞0.05). YH处理CH4排放与田面水NH4+-N浓度变化呈极显著负相关(P＜0.01), 而其余各处理CH4排放与NH4+-N浓度变化无显著相关性(P＞0.05).
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表 3 不同处理水稻生长季N2O和CH4排放通量与氧化还原电位(Eh)及5 cm土壤温度相关性分析1) Table 3 Correlations of N2O and CH4 fluxes in the rice seasons with oxidations-reduction potential (Eh) and soil temperature at 5 cm |
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表 4 不同处理水稻生长季N2O和CH4排放通量与田面水铵态氮、硝态氮相关性分析 Table 4 Correlations of N2O and CH4 fluxes under different treatments and rice seasons with concentrations of NH4+-N and NO3--N in surface water |
2.4 不同处理晚稻季水稻产量、N2O和CH4累积排放量、综合温室效应和温室气体强度(100 a)
不同施肥处理产量表现为ZYH2>YH>ZYH1>CON>CK(表 5), ZYH2较CK、CON、YH以及ZYH1分别提高了29.69%、11.81%、6.74%和10.36%.百年尺度上, 从各处理N2O和CH4的综合GWP来看, CH4是水田系统GWP的主要贡献者, 占综合GWP的95%以上; 综合GWP表现为CK>CON>ZYH1>YH>ZYH2, 除CON处理外, CK与其它各处理有显著性差异(P＜0.05), ZYH2较CK的GWP显著减少了64.80%(P＜0.05), 较CON、YH、ZYH1分别减少了43.23%、12.93%和15.15%.温室气体排放强度表现为CK>CON>ZYH1>YH>ZYH2, 除CON处理外, CK处理与其它各处理呈显著性差异(P＜0.05), ZYH2较CK显著降低了76.49%(P＜0.05), 较CON、YH和ZYH1分别降低了52.52%、20.54%和23.87%.
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表 5 不同处理稻季N2O和CH4累积排放量、作物产量、综合温室效应和温室气体强度(100 a) Table 5 Cumulative N2O and CH4 emissions, global warming potential, and greenhouse gas intensity 100 a across the treatments |
3 讨论 3.1 晚稻稻田N2O与CH4排放及环境因子的影响
魏海苹等[18]的研究表明, 中国双季稻晚稻, 华中地区CH4平均排放412.80kg·hm-2, 两广地区CH4平均排放量213.60kg·hm-2, 王聪等[19]研究湖南亚热带地区晚稻季CH4排放量为100.50~132.20kg·hm-2, 本研究中施肥处理水稻晚稻季CH4累计排放量介于56.60~175.70kg·hm-2之间, 其中CON处理CH4累积排放量均低于以上研究.一方面可能跟CON处理水稻产量要明显低于王聪等[19]的研究有关.有研究表明, 甲烷排放量与植株生物量和产量显著正相关[20].另一方面的原因可能是CON处理施入的氮量高于以上研究, 高施肥量促进甲烷氧化菌的活性从而减少了CH4的排放[21].
石生伟等[22]监测双季稻晚稻N2O排放为0.13~1.48kg·hm-2; 王聪等[19]监测双季稻晚稻N2O排放为-360.13~-35.08kg·hm-2. Bhattacharyya等[23]研究热区常年水稻种植的N2O年排放仅为0.82~1.82 kg·hm-2, 本研究中各施肥处理晚稻季N2O累计排放量介于0.44~3.40kg·hm-2之间, 其中CON处理N2O累积排放量高于以上研究.一个方面的原因是本研究中CON处理施氮量高于以上研究, N2O排放总量随着施氮量的增加而增加[3].另一方面热区气温高, 降雨量充足, 氮循环微生物的数量和活性都较高, 促进N2O产生的底物铵态氮和硝态氮的转化, 进而刺激土壤N2O排放[10].另外, Shang等[24]和Liu等[25]的研究表明, 非生长季水稻田N2O排放量要大于水稻生长季, 考虑到海南地区冬季气温较高, 即使在冬季, 月平均气温也不低于16℃[26], 该温度决定了影响N2O排放的微生物大多处于较高的活性水平, 非生长季也可能存在较高排放.所以据此推测海南地区水稻田N2O排放不可忽视.
众多研究表明, 稻田N2O和CH4排放存在“消长”关系[27, 28], 所谓“消长”, 即CH4和N2O排放存在此消彼长、交互排放的关系, 这种关系跟不同施肥类型、施肥量、土壤质地等处理和不同地区有关[27, 29, 30], 而稻田水分变化是影响稻田CH4和N2O排放消长关系的主导因素[30], 但并不是水稻所有生育期都存在这种消长关系, 周礼恺等[31]认为N2O与CH4的相互消长关系并非永恒不变的, 这种关系是在特定的环境条件下才呈现.石生伟等[22]的研究表明, 在双季稻生长期内所有处理CH4和N2O在排放时间上均无消长关系.本研究中, 在水稻生长期的前期内CH4和N2O平均排放通量符合“此消彼长”的排放规律. CH4排放主要集中于水稻生育的前期, 此时水田处于淹水状态, 会为产甲烷菌的生存创造出合适的厌氧环境, 导致CH4排放量增加[30], 而淹水状态造成的强还原条件, 使反硝化进行得比较彻底, 此时中间产物N2O排放较少[28]; N2O排放主要集中于水稻分孽期, 此时水分交替频繁, 有利于硝化和反硝化作用的同时进行, 促进了N2O产生和排放[27].而此时氧气供应充足, 限制了CH4产生, 促进了CH4氧化[32].在水稻生长后期, 无论淹水与否, N2O和CH4排放量都处于比较低的状态, 此时并无消长关系.一方面的原因可能是水稻生长后期, 水稻需氮量增加, 土壤含氮量减少, N2O产生底物不足, 降低了N2O产生排放潜势[33].另一方面原因可能是稻田土壤经历了晒田干涸到一定程度, 裸露在空气中, 土壤Eh大幅度升高, 抑制了产甲烷菌活性, 即使后期覆水也很难在短期内产生适宜CH4产生的环境, 从而抑制了后期CH4排放[34].
稻田N2O和CH4排放是一个比较复杂的过程, 受土壤温度、水分管理、Eh以及施肥措施等影响[30, 35, 36].姜姗姗等[36]的研究表明, N2O排放与田面水NH4+-N和NO3--N含量均呈显著性正相关, 而与温度、Eh等其它环境因子表现出较强的相关性.周礼恺等[31]的研究表明, 土壤N2O排放与稻田水层中矿质氮含量呈线性正相关.本研究中, 仅CON和YH处理N2O排放与NH4+-N呈显著负相关(P < 0.05).其余各处理均未与水层中矿质氮表现出较强的相关性(P>0.05).可能的原因为田面水无机氮含量高低仅能代表氮素供应水平, 稻田N2O的排放是氮素损失的一个微弱途径, 并且N2O的排放受外界影响因素影响比较大, 故不存在明显的相关关系[28].环境因子与稻田CH4的关系, 主要表现为CH4排放与土壤温度呈显著正相关(P < 0.05). Zhong等[12]的研究发现, CH4排放与土温呈显著正相关性(P < 0.05).适宜的土温有利于根际分泌物释放到土壤中, 为产甲烷菌提供更多的可利用性碳, 促进甲烷排放[32].另外, 土壤环境温度增加, 增强了土壤微生物活性, 加速了有机物的降解, 也促进了CH4的产生与排放[37]. CH4产生需要厌氧环境, 一般用Eh值表示土壤氧化还原程度.大量研究表明, 土壤CH4排放与Eh呈负相关关系[18, 19].稻田产甲烷菌是严格的厌氧菌, 在稻田淹水后土壤中氧气含量迅速降低, Eh值也持续降低, 只有当Eh值低于-150~-160 mV时, 稻田才能产生甲烷, 当低于这一数值时稻田甲烷排放量随Eh值降低呈现指数增加[38].本研究中, 各施肥处理CH4排放均与Eh呈现极显著负相关(P < 0.01).同时CH4排放主要集中于水稻生长期前期, 此时Eh值普遍处于-150~-200 mV之间.
3.2 晚稻稻田不同施肥模式对CH4和N2O排放的影响CH4排放通量主要由土壤CH4产生和氧化的差值决定, 营养元素的加入影响产甲烷菌、甲烷氧化菌等微生物活性, 进而影响土壤甲烷排放[32].本研究中, 各施肥处理都显著降低了CH4排放.关于施肥对CH4排放的影响有诸多研究[33, 39]. Linquist等[21]的研究表明, 施肥对水稻生长季CH4排放的影响受施肥量影响, 低量和中量施肥, 促进CH4排放, 而高量施肥却减少CH4排放, 主要是过多的NH4+-N促进了甲烷氧化菌的活性.本研究中施肥量按照Linquist等[21]标准虽然属于中量施肥, 但海南地区特殊的水稻瓜菜轮作制度中, 瓜菜季施肥量较大, 增加了下一季的氮肥残留, 增加了土壤的整体含氮量, 提高了甲烷氧化菌的活性导致CH4排放减少[39].其它各施肥处理较CON对CH4排放影响并不一致, 其中以ZYH2处理CH4减排效果最好, 但与其他施肥处理相当.一般认为, 腐熟的有机肥能为产甲烷菌提供更为丰富的产甲烷基质, 导致土壤产生更多的甲烷[32].而本研究中ZYH2处理却能够降低CH4排放, 这与姜姗姗等[36]和郑聚峰等[40]的研究结果一致.有机无机配施处理下稻田土壤甲烷氧化能力显著高于单施化肥处理, 提高稻田土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度, 显著降低甲烷释放潜能[32, 38]. CON处理为复合肥与尿素的配施, 较YH和ZYH1处理CH4累积排放量有所降低, 这可能与其氮肥投入量高于上述处理有关.增加NH4+明显增加甲烷氧化菌数量并促进其活动[22]. NAM是由脲酶抑制剂和硝化抑制剂等成分有机组合而成.大多数研究认为HQ/DCD能够降低稻田生态系统N2O排放, 但对CH4排放影响报道不一[41, 42].本研究中, 在CON处理减氮22.4%基础上, ZYH1较YH处理在一定程度上减少了CH4排放, 但差异不显著.
相比CON处理, 其它各施肥处理均表现出不同程度的N2O减排.以ZYH2处理N2O减排效果最好, 本研究中, ZYH2处理为有机肥和缓释肥配施, 既保证了水稻对氮肥的需求, 也保证了在分蘖后期不会有很高的氮累积.有机肥施入增加土壤有机碳的含量, 能够促进反硝化过程产生的N2O转化为N2, 降低N2O排放[43].同时, 缓控释肥能够减缓氮肥释放, 提高氮肥利用率, 也能减少N2O排放.有研究表明, 硝化抑制剂能有效抑制土壤中硝化作用的进行, 降低NH4+-N转化为NO3--N过程进而减少N2O排放[41], Lan等[44]报道DCD除了对硝化进程产生影响外, 同时可减少硝化产物中N2O比例.水稻生长期施入HQ/DCD能降低4%~26%N2O排放[45].而本研究中, 在CON处理减氮22.4%基础上, ZYH1较YH处理增加了N2O排放. DCD水溶性很高在土壤剖面中移动性强, 当遇强降雨或保水性较差的土壤时容易发生淋溶损失[46].热区较高的降雨量减弱了DCD后期的抑制效果, 前期累积的氮底物通过硝化和反硝化过程, 增加了N2O排放.
3.3 晚稻稻田综合温室效应评价本研究中YH、ZYH1和ZYH2处理较CON处理均增加了水稻产量, 其中ZYH2处理提高程度最大.可能是当地土壤为滨海沉积物母质发育而来, 保肥能力较差, 由于有机肥替代部分化肥, 改善了土壤结构, 增加了土壤保肥能力, 同时配合缓控释肥的施用, 能减缓氮素的流失, 保证一定的供氮水平[15]. ZYH2较CK处理GWP显著降低, 但是较其它处理降低不显著.这是因为CK处理较其它各处理CH4排放显著增加, 从而导致GWP显著提高.相反施入氮肥处理却降低了CH4排放.因此如何减少水稻种植季CH4排放对减缓稻田温室效应具有十分重要的作用.温室气体排放强度是温室效应综合评价指标, 将温室效应与作物经济产出相结合, 用于评价稻田综合温室效应.本试验中ZYH2处理温室气体排放强度较小, 即单位产量的产出所排放温室气体产生的增温潜势最小, 化肥配施有机肥可以促进土壤微生物对化肥氮的有效调控, 使化肥氮更好地被转化利用, 促进作物增产和改善品质[25], 为本试验评价体系下的最优施肥处理.姜姗姗等[36]研究也表明, 有机无机配施不仅能提高作物产量, 还能获得较高的生态环境效益.因此羊粪有机肥加缓控释肥替代部分化肥, 能够有效降低稻田系统的GWP和GHGI, 在当地施用具有一定的增产减排作用.
4 结论(1) 不施氮CK处理CH4排放最高, 施加氮肥在一定程度上降低了热区晚稻水田CH4排放量.
(2) 海南地区水稻田N2O排放量较高, 估算我国水稻田N2O排放时不可忽视.
(3) 优化施肥配合羊粪有机肥和缓控释肥施用替代化肥能提高晚稻季产量, 并且降低N2O和CH4排放总量, 在该地区减排稳产效果最佳.
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