2021, Vol. 42
2. 海南大学生态与环境学院, 海口 570228
, SHAO Xiao-hui1 , GOU Guang-lin1 , DENG Yi-xin1 , TAN Shi-min1 , XU Wen-xian2 , YANG Qiu2 , LIU Wen-jie2 , WU Yan-zheng1 , MENG Lei1 , TANG Shui-rong1
2. College of Ecology and Environment, Hainan University, Haikou 570228, China
近几年因全球气候变暖导致极端气候和自然灾害频发, 全球气候变暖已成为不容置疑的事实.近10年来, 农业温室气体的排放约占全球总人为排放量的9%~15%[1], 因而农田温室气体的排放日益引起人们的普遍关注.二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是导致全球气候变暖的3种重要的温室气体, 目前, 大气中CO2、CH4和N2O的体积分数分别约为729.1×10-6、1 215.5×10-9和593.2×10-9[2].在100 a时间尺度上, CH4和N2O全球增温潜势(GWP)分别是CO2的25倍和298倍[3], CH4对全球变暖贡献率约为20%[4].稻田是CH4和N2O重要排放源, 全球CH4排放总量的15%~33%来自土壤, 其中来源于稻田土壤的CH4年排放量占全球CH4排放总量的7%~17%[5~7].我国2015年CH4排放总量为61.59 Tg, 其中农业活动所产生的CH4排放总量为20.42 Tg, 占CH4总排放量的33.2%[8].据报道, 稻田中N2O的排放量约占我国农田氮肥直接排放N2O总量的7.0%~11.0%[9].稻田生态系统的固碳减排潜力巨大, 通过合理的田间水肥管理模式来减少稻田CH4和N2O的排放对减缓全球气候变暖和提高氮肥利用效率等方面意义重大.
田间水分管理是影响稻田CH4和N2O排放的关键因素之一.稻田CH4排放是其产生和氧化的综合作用的结果, 水分对这两个过程都具有重要的影响[10~12].稻田持续淹水造成厌氧环境, 经过发酵作用会引起CH4的大量排放[13~15], 而长期淹水也为产甲烷菌提供了生存环境, 为稻田CH4的产生提供了条件.有研究表明, 与持续淹水相比, 间歇性灌溉能使稻田CH4排放减少32%~93%[16, 17]; 中期烤田和间歇灌溉处理CH4周年累计排放量分别降低33.1%~52.4%和46.3%~69.3%; 中期烤田处理N2O周年累积排放量降低11.1%~27.5%, 但间歇灌溉处理N2O周年累积排放量增加了10.2%~60.9%[18].水稻种植期间产生的CH4约有60%~80%被CH4氧化菌所氧化[19], 晒田或间歇灌溉能调控稻田土壤的通气状况, 从而影响土壤微生物活性和改变土壤氧化还原状态, 影响硝化和反硝化作用的进程及N2O向大气传输的途径, 在氧化CH4的同时也会影响N2O排放, 有研究表明稻田CH4和N2O排放存在此消彼长的关系[7, 9], 但土壤水分对稻田温室气体排放的影响还存在一定的时空差异性.
施肥是保证作物产量的重要措施之一, 合理施肥在增加作物产量的同时, 还能减少稻田温室气体的排放.针对不同施肥管理影响稻田CH4和N2O排放的研究已有大量报道, 但至今仍未形成统一的定论[20, 21].例如, 罗良国等[22]的研究表明, 不同施肥处理间单季稻田N2O排放无显著差异; 但CH4排放存在显著性差异, 具体表现为：施用新鲜绿肥增加CH4排放, 而单施有机肥和有机堆肥则对CH4排放无显著影响.而郭腾飞等[23]的研究表明, 施用有机肥和氮肥均增加了稻田CH4和N2O排放.Fan等[24]的研究发现施用尿素未显著促进CH4排放, 但对N2O排放有显著的影响.以上研究结果的不同可能是由于不同肥料的施肥量和氮素形态以及土壤理化性质存在差异等引起.
作为我国最大的热带岛屿, 海南岛常年雨量充沛, 光热充足, 具有鲜明的热带季风气候特征.由于环境因素(例如降雨量和温度等)、种植管理(稻菜轮作)以及土壤类型等因素的不同, 使得稻田CH4和N2O排放量与其它地区相比存在一定的差异.当前, 我国针对双季稻田CH4和N2O排放的研究主要集中在亚热带和温带地区, 而对热带地区稻田的研究则相对较少.例如, 陈友德等[25]在湖南省益阳市的定位试验表明：双季稻田CH4平均排放量为135.25 kg·hm-2, 占CH4年排放量的91.8%~98.5%; 双季稻田N2O平均排放量为0.94 kg·hm-2, 约占N2O年排放量的17.8%.尽管, 田伟等[26]的研究表明施加氮肥能降低热带地区晚稻季CH4排放量, 胡玉麟等[27]的研究表明热带地区水稻-豇豆轮作系统CH4排放主要集中在水稻季, N2O排放主要集中在豇豆季.但针对热带地区不同水肥管理条件下双季稻田CH4和N2O排放的研究还未见报道, 因此, 本研究以热带地区双季稻田为研究对象, 通过不同水肥条件下稻田CH4和N2O排放量, 结合水稻产量、全球增温潜势和温室气体排放强度(GHGI), 研究不同施肥和水分管理措施对双季稻田CH4和N2O排放的影响, 旨在通过优化当地水肥管理以达到减排增产的目的.此外, 本研究还能补充我国热带地区稻田温室气体排放研究的不足, 以期为热区稻田温室气体减排提供理论依据和技术支撑.
1 材料与方法 1.1 试验地概况田间原位监测试验地位于海南省澄迈县桥头镇西岸村(109°56′01″ E, 19°56′58″ N).该地属于典型的热带季风性气候, 年平均气温为23.80℃, 年均降雨量为1 786.10 mm, 全年日照时间超过2 059 h[26].土壤为滨海沉积物母质发育的沙壤土, 种植水稻前土壤基本性质见表 1.本试验期间气温与降水量变化见图 1.
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表 1 土壤基本性质 Table 1 Basic properties of soil |
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图 1 采样期间气温与降水量变化 Fig. 1 Dynamics of air temperature and precipitation during the sampling period |
本试验设计采取2种水分管理[常规灌溉(D)和长期淹水(F)]和4种施肥模式[施磷钾肥(PK)、施氮磷钾肥(NPK)、施氮磷钾+有机肥(NPK+M)和施有机肥(M)], 一共8个处理, 即常规灌溉-施磷钾肥(D-PK)、常规灌溉-施氮磷钾肥(D-NPK)、常规灌溉-施氮磷钾+有机肥(D-NPK+M, 有机肥与氮肥各一半)、常规灌溉-施有机肥(D-M)、长期淹水-施磷钾肥(F-PK)、长期淹水-施氮磷钾肥(F-NPK)、长期淹水-施氮磷钾+有机肥(F-NPK+M, 有机肥与氮肥各一半)和长期淹水-施有机肥(F-M).每个处理3个重复, 共24个小区, 每个小区21 m2(3 m×7 m).各试验小区随机区组排列, 每小区四周起陇, 用防水塑料膜覆盖, 四周埋入地下50 cm, 防止各小区间窜水窜肥.常规灌溉处理水分管理为各小区插秧后保持田面水进入返青期和分蘖期, 施入分蘖肥后使田面水自然落干晒田以减少无效分蘖, 分蘖后期反复灌水-落干调控水分, 抽穗期保持田面水至灌浆期, 灌浆结束后自然落干直至水稻收获.长期淹水各处理从移栽开始保持田面水至灌浆结束, 后期田间水分自然落干至水稻收获.
早稻季的施肥用量为120 kg·hm-2(N肥)、90 kg·hm-2(P肥)和90 kg·hm-2(K肥); 晚稻季的施肥用量为150 kg·hm-2(N肥)、90 kg·hm-2(P肥)和120 kg·hm-2(K肥).肥料氮、磷、钾分别由尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O5 16%)、氯化钾(含K2O 60%)提供, 有机肥为豆粕商品有机肥(含N 3.8%).除空白处理只施磷肥钾肥外, 其它试验小区均以等氮量为标准.早稻季氮肥施用比例为基肥∶蘖肥∶穗肥=5∶3∶2, 磷肥和钾肥一次性施用; 晚稻季氮肥施用比例为蘖肥∶穗肥=6∶4, 磷肥一次性施入, 施肥方式均为撒施.
早稻季于2019年4月19日耕地, 4月20日施入基肥、按底座和插秧, 4月21日开始采气, 2019年5月13日施蘖肥, 2019年6月13日施穗肥, 2019年7月20日收割水稻并进行测产.晚稻季于2019年7月30日按底座和插秧, 7月31日开始采气, 8月12日施蘖肥, 9月9日施入穗肥, 11月5日收割水稻并进行测产.水稻种植期间一般每隔5~7 d采集一次气样, 但在施肥后的第1、3和5 d加密采样, 之后恢复为每隔5~7 d采一次样, 采气时间为08:00~11:00.
1.3 样品采集与测定气体样品采集和测定采用密闭静态暗箱-气相色谱法.采气箱为PVC材料制作而成的暗箱(50 cm×50 cm×90 cm), 箱体外部包裹一层泡沫塑料防止太阳直接照射导致温度升高过快, 将与箱体同规格的带凹槽底座(50 cm×50 cm×20 cm)固定在稻田中, 箱子顶部安装抽气孔和测量箱内温度变化的温度计插孔.采集气样时, 将采气箱安装在底座上, 在凹槽底座中灌水, 密封箱体, 用100 mL针筒反复抽动混合箱内的气体, 分别于0、10、20和30 min从顶部抽气孔抽取气样, 注入已抽成真空的20 mL玻璃瓶(Nichidenrika Glass CO. LTD.)中, 带回实验室用气相色谱仪(GC-2014, 岛津, 日本)进行分析.GC-2014分析N2O检测器为ECD、温度为300℃和载气为氩甲烷; 分析CH4检测器为FID、温度为300℃和载气为高纯氮; 色谱柱温度为50℃、长度为1.0 m、内径为2.0 mm和流量为2.0 mL·min-1.标准气体由中国计量科学研究院提供.
田间气体样品采集的同时, 用温度计(JM 222, 天津, 中国)同步测定箱体温度, 用便携式Eh计(Bante 220, 上海般特仪器制造公司)测定5 cm土层温度和土壤Eh.采集气体样品后采0~20 cm层土样, 带回实验室进行其它指标分析.新鲜土样用2 mol·L-1KCl溶液浸提后使用连续流动分析仪(Proxima1022/1/1, 爱利安斯科学仪器公司, 法国)测定土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量.
1.4 数据处理与分析方法CH4和N2O排放通量计算公式：
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(1) |
式中, f为CH4和N2O排放通量, CH4排放通量, 单位为mg·(m2·h)-1, N2O排放通量, 单位为μg·(m2·h)-1; ρ为标准状态下CH4-C和N2O-N的密度, 单位为kg·m-3; h为采气箱的高(0.9 m); Δc/Δt为CH4和N2O排放速率; T为采气时采气箱内平均温度, 单位为℃.
CH4和N2O累计排放量计算公式：
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(2) |
式中, E为CH4和N2O累计排放量, 单位为kg·hm-2; n和i为气体采集次数; fi和fi+1分别为采气时第i次和第i+1次气体排放通量; ti+1-ti为第i次和第i+1次采气间隔时间, 单位为d.
100 a尺度上稻田CH4和N2O累计排放量的增温潜势(GWPGHGs, CO2-eq, kg·hm-2)计算公式：
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(3) |
式中, 以CO2为当量, CH4和N2O累计排放量增温潜势分别是CO2的25倍和298倍.
温室气体排放强度(GHGI, kg·kg-1)是单位产量综合增温潜势, 计算公式为：
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(4) |
式中, Y为作物产量, 单位为kg·hm-2.
采用Microsoft Excel 2013软件进行数据计算和作图, SAS 9.2软件进行统计分析, 用双因素方差分析最小显著极差法(LSR法)检验各处理平均数间的差异显著性(P < 0.05), 用Pearson相关分析系数法分析温室气体排放量与环境因子间的相关性.所有数据均以3次重复的平均值加减标准差来表示.
2 结果与分析 2.1 双季稻田CH4排放通量和累积排放量早稻季移栽返青期各处理CH4排放非常低[图 2(a)和2(b)].施入分蘖肥[图 2(a)和2(b)], 长期淹水各处理CH4排放开始增加, 施入有机肥处理(F-M和F-NPK+M)CH4排放增加较快, 未施有机肥处理(F-NPK和F-PK)CH4排放缓慢增加.施入穗肥, 长期淹水各处理出现一个峰值, 峰值范围为2.95~9.43 mg·(m2·h)-1; 整体而言, 各处理CH4排放通量为F-M>F-NPK+M>F-NPK>F-PK [图 2(a)].常规灌溉各处理施入分蘖肥, CH4排放开始逐渐增加, 各处理因田间水分灌溉-排水交替管理出现多个排放峰值, 灌溉时CH4排放增加, 出现峰值; 排水时CH4排放降低.各处理排放通量为D-M>D-NPK+M>D-PK>D-NPK [图 2(b)].早稻季种植期间长期淹水处理CH4排放通量高于常规灌溉处理, 早稻季CH4排放主要集中在种植中后期.
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实线箭头表示施肥, 下同 图 2 不同水肥处理下早稻季和晚稻季CH4排放通量变化 Fig. 2 Dynamics of CH4 emission fluxes in early rice and late rice seasons under different water irrigation and fertilization treatments |
晚稻季返青期各处理CH4排放逐渐增加[图 2(c)和2(d)].各处理种植第8 d左右出现CH4排放峰值, 峰值范围为6.93~16.27 mg·(m2·h)-1.F-M和D-M施入分蘖肥后第一周和第二周左右分别出现一个峰值, 其它处理在第二周左右出现CH4排放峰值.穗肥施入一周左右又出现一个峰值.晚稻季长期淹水处理CH4排放稍高于常规灌溉管理, CH4排放主要集中在种植前中期.
早稻季长期淹水各处理CH4累积排放量为24.9~78.9 kg·hm-2[图 3(a)], 与F-PK处理相比, F-M、F-NPK+M和F-NPK分别使CH4累积排放量增加216.7%、170.8%和14.8%, 其中F-M和F-NPK+M显著性增加.常规灌溉条件下各施肥处理的CH4累积排放量为10.3~24.1 kg·hm-2[图 3(a)], 与D-PK处理相比, D-M和D-NPK+M分别增加61.6%和46.5%的CH4累积排放量, 但D-NPK处理使CH4累积排放量减少31.0%, 各处理间CH4累积排放量无显著差异.配施有机肥处理(F-M和F-NPK+M)CH4累积排放量显著高于其它处理[图 3(a), P < 0.05, 下同]; 常规灌溉各处理间CH4累积排放量无显著性差异; 同一施肥处理中长期淹水管理CH4累积排放量高于常规灌溉.
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不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 图中数据为平均值士标准差 图 3 不同水肥处理下早稻季和晚稻季CH4的累积排放量 Fig. 3 Cumulative CH4 emission in early rice and late rice seasons under different water irrigation and fertilization treatments |
晚稻季长期淹水各处理CH4累积排放量为132.5~185.5 kg·hm-2[图 3(b)], 与F-PK处理相比, F-M和F-NPK+M分别使CH4累积排放量增加了37.4%和0.7%, 但F-NPK处理减少1.8%.常规灌溉条件下各施肥处理CH4累积排放量为84.6~141.3 kg·hm-2[图 3(b)], 与D-PK处理相比, D-M和D-NPK+M分别增加58.0%和21.9%, 但D-NPK处理减少5.4%.与PK处理相比, 相同灌溉条件下其余3种施肥处理CH4累积排放量无显著性差异; 与D-PK、D-NPK、D-NPK+M处理相比, 晚稻季F-NPK和F-M处理CH4累积排放量显著增加.晚稻季CH4累积排放量高于早稻季CH4累积排放量[图 3(a)和3(b)].
2.2 双季稻田N2O排放通量和累积排放量早稻季长期淹水条件下, 各处理返青期N2O排放通量下降[图 4(a)].在分蘖肥施入后, F-NPK处理出现峰值, 为211.9 μg·(m2·h)-1, 其它各处理N2O排放略有增加.在水稻种植中后期, 各处理N2O排放通量均维持在较低水平, 未出现明显峰值.常规灌溉条件下各处理返青期N2O排放通量出现一个峰值, 范围为48.0~232.4 μg·(m2·h)-1, 常规灌溉各处理N2O排放通量峰值高低顺序为D-NPK>D-M>D-NPK+M>D-PK [图 4(b)].分蘖肥施入后D-NPK处理出现一个小峰值, 其它处理直至种植期结束, N2O排放通量均维持在较低水平, 没有明显峰值出现.长期淹水处理比常规灌溉处理N2O排放通量小.
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图 4 不同水肥处理下早稻季和晚稻季N2O排放通量变化 Fig. 4 Dynamics of N2O emission fluxes in early rice and late rice seasons in different water irrigation and fertilization treatments |
晚稻季长期淹水各处理N2O排放通量在施入蘖肥和穗肥后都出现排放峰值[图 4 (c)], 水稻种植后期, 田间水分自然落干, N2O排放增加.常规灌溉N2O排放通量在施入分蘖肥和穗肥后都出现峰值[图 4(d)].常规灌溉各处理随田间排水N2O排放增加, 出现峰值, 灌溉后N2O排放下降, 各个处理下的N2O排放通量变化一致, 最大排放量处理为D-NPK.总体而言, 常规灌溉处理N2O排放通量比长期淹水处理大.
早稻季长期淹水各处理N2O累积排放量为0.20~0.62 kg·hm-2[图 5(a)], 与F-PK处理相比, F-NPK、F-M和F-NPK+M分别增加了20.8%、10.2%和8.8%, F-NPK处理显著高于F-PK处理.常规灌溉条件下各处理N2O累积排放量为0.18~0.76 kg·hm-2[图 5 (a)], 与D-PK处理相比, D-NPK、D-M和D-NPK+M分别增加了321.0%、214.8%和165.9%, 均显著高于D-PK处理; D-NPK+M处理显著低于D-NPK处理.D-NPK处理N2O累积排放量与D-M和F-NPK处理没有显著性差异, 但显著高于其它处理.与F-PK和D-PK相比, 尿素施入(F-NPK和D-NPK)处理显著增加N2O累积排放量.与D-NPK相比, 有机无机配施处理(D-NPK+M)显著降低N2O累积排放量.除D-PK外, 对应施肥常规灌溉N2O累积排放量高于长期淹水处理.
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不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 图中数据为平均值+标准差 图 5 不同水肥处理下早稻季和晚稻季N2O累积排放量 Fig. 5 Cumulative N2O emission in early rice and late rice seasons under different water irrigation and fertilization treatments |
晚稻季长期淹水各处理N2O累积排放量为0.15~0.36 kg·hm-2[图 5(b)], 与F-PK处理相比, F-NPK、F-M和F-NPK+M分别增加了136.9%、116.0%和76.5%, 均显著高于F-PK处理.常规灌溉条件下各处理N2O累积排放量为0.27~0.58 kg·hm-2[图 5(b)], 与D-PK处理相比, D-NPK、D-M和D-NPK+M分别增加了115.1%、46.5%和33.8%, D-NPK和D-M均显著高于PK处理.晚稻季D-NPK处理N2O累积排放量显著高于其它处理; 除D-NPK和F-PK外, 各处理间N2O累积排放量无显著性差异.与PK处理相比, 尿素(NPK和NPK+M处理)施入增加N2O累积排放, 有机无机配施(NPK+M处理)减少N2O累积排放; 同一施肥处理中常规灌溉N2O累积排放量高于长期淹水处理[图 5(b)].
2.3 双季稻田NH4+-N和NO3--N动态变化早稻季各处理土壤NH4+-N动态变化基本一致[图 6(a)和6(b)], 施肥后1 d左右土壤NH4+-N含量达到峰值, 种植前中期各处理间NH4+-N含量为NPK>NPK+M>M>PK, 后期M处理NH4+-N含量最高.晚稻季各处理土壤NH4+-N动态变化也基本一致[图 6(c)和6(d)], 施肥后1 d左右出现一个小峰值, 但变化不大; 晚稻季长期淹水各处理F-M>F-NPK+M>F-NPK>F-PK[图 6(c)], 常规灌溉各处理D-NPK+M>D-M>D-NPK>D-PK[图 6(d)], 长期淹水和常规灌溉NH4+-N含量相差较小.
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图 6 不同水肥处理下早稻季和晚稻季NH4+-N动态变化 Fig. 6 Dynamic changes of NH4+-N in early rice and late rice seasons under different water irrigation and fertilization treatments |
施肥会明显影响稻田土壤NO3--N含量, 土壤硝化作用将NH4+转化为NO3-.早晚稻季NO3--N含量均在施入分蘖肥和穗肥后3 d左右出现峰值(图 7), 各处理含量变化基本一致, 但含量均较低.早稻季种植中后期NO3--N含量变幅较种植前期大[图 7(a)和7(b)].晚稻季种植前中期NO3--N含量变幅较后期明显[图 7(c)和7(d)].
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图 7 不同水肥处理下早稻季和晚稻季NO3--N动态变化 Fig. 7 Dynamic changes of NO3--N in early rice and late rice seasons under different water irrigation and fertilization treatments |
种植期间环境因子变化可能会影响稻田CH4和N2O排放, 相关分析结果表明(表 2)：稻田CH4排放与N2O排放呈极显著负相关(P < 0.01).土壤NH4+-N含量和5 cm土温与CH4排放呈极显著负相关, pH与CH4排放呈极显著正相关.土壤NH4+-N含量和NO3--N含量均与N2O排放呈极显著负相关, pH与N2O排放呈显著负相关(P < 0.05).CH4和N2O排放均与土壤Eh的相关性不显著.
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表 2 双稻季CH4、N2O排放通量与NH4+-N、NO3--N、Eh、5 cm土温和pH的相关性1) Table 2 Correlations of CH4 and N2O emissions with NH4+-N, NO3--N, Eh, and soil temperature at 5 cm below the soil surface and pH in double rice growing seasons |
2.5 产量、温室气体增温潜势和排放强度
各水肥处理下早稻季和晚稻季产量、GWP和GHGI如表 3所示.长期淹水条件下, 各处理早稻季产量在7 373.7~9 402.4 kg·hm-2之间, 相比于F-PK处理, F-NPK、F-M和F-NPK+M产量分别增加了27.5%、27.3%和17.5%, 且F-NPK和F-M处理显著高于F-PK处理.常规灌溉条件下, 各施肥处理的早稻季产量为7 310.7~9 017.0 kg·hm-2, 与D-PK处理相比, D-NPK、D-M和D-NPK+M处理产量分别增加0.1%、23.3%和9.0%; 各处理产量无显著差异.长期淹水处理产量比常规灌溉处理大.晚稻季长期淹水各处理产量为3 902.8~6 316.3 kg·hm-2, 与F-PK处理相比, F-NPK、F-M和F-NPK+M产量分别增加41.3%、61.8%和58.8%, 其它3种施肥产量显著高于PK处理.常规灌溉条件下各产量为4 107.7~7 354.6 kg·hm-2, 与D-PK处理相比, D-NPK、D-M和D-NPK+M处理产量分别增加52.4%、79.0%和60.5%, 均显著高于PK处理; 晚稻常规灌溉条件产量要比长期淹水条件大.
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表 3 不同水肥处理下水稻产量、CH4和N2O总增温潜势和温室气体排放强度1) Table 3 Rice yields, global warming potential of CH4 and N2O, and greenhouse gas emission intensity under different water irrigation and fertilization treatments |
早稻季长期淹水各处理GWP为922.3~2 818.5 kg·hm-2, 与F-PK处理相比, F-NPK、F-M和F-NPK+M、处理GWP分别增加34.6%、205.6%和162.8%; F-NPK、F-M和F-NPK+M处理GWP显著高于F-PK处理.早稻季常规灌溉各处理GWP为580.8~1 068.1 kg·hm-2, 相比于D-PK处理, D-NPK、D-M和D-NPK+M处理GWP分别增加20.1%、83.9%和63.9%, 各处理间GWP差异性不显著.晚稻季长期淹水各处理GWP为4 568.1~6 334.2 kg·hm-2, 与F-PK处理相比, F-NPK、F-M和F-NPK+M处理GWP分别增加0.3%、38.7%和1.9%, 各处理GWP差异性不显著.晚稻季常规灌溉各处理GWP为3 091.6~4 894.9 kg·hm-2, 与D-PK处理相比, D-M和D-NPK+M处理GWP分别增加57.7%和22.5%, D-NPK处理减少0.4%; 各处理间GWP没有显著性差异.晚稻长期淹水条件GWP比常规灌溉条件大.
早稻季长期淹水各处理GHGI大小顺序为F-M>F-NPK+M>F-NPK>F-PK, 与F-PK处理相比, F-NPK、F-M和F-NPK+M处理GHGI分别增加8.3%、150.0%和141.7%, F-M和F-NPK+M处理GHGI显著高于F-PK处理.早稻季常规灌溉各处理GHGI为D-NPK+M>D-M>D-NPK>D-PK, 相比于D-PK处理, D-NPK、D-M和D-NPK+M处理GHGI分别增加18.1%、47.6%和50.7%, 各处理GHGI没有显著性差异.晚稻季长期淹水各处理GHGI为F-PK>F-M>F-NPK>F-NPK+M.与F-PK处理相比, 虽然F-NPK、F-M和F-NPK+M各处理分别使GHGI减少了32.6%、13.4%和39.4%, 但各处理间GHGI差异不显著.常规灌溉各处理GHGI为D-PK>D-M>D-NPK+M>D-NPK, 较D-PK而言, D-NPK、D-M和D-NPK+M处理分别使GHGI减少了33.6%、9.9%和22.5%, 各处理也无显著性差异.
方差分析结果表明(表 4)：灌溉极显著影响早稻季CH4排放和晚稻季N2O排放, 显著影响晚稻季CH4排放.施肥极显著影响早稻田CH4、N2O排放和晚稻季N2O排放.早稻季CH4排放随灌溉与施肥交互作用之间变化极显著.早稻季GWP和GHGI随灌溉、施肥、灌溉与施肥交互作用之间变化极显著, 晚稻季GWP和GHGI随灌溉变化显著.与不施氮肥相比, 施肥分别显著和极显著促进早稻和晚稻产量.
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表 4 不同灌溉和施肥条件下双稻季CH4和N2O排放量、GWP、GHGI和产量的方差分析1) Table 4 Variance analysis of CH4 and N2O emission, GWP, GHGI, and rice yield in double-rice season under different water irrigation and fertilizer conditions |
3 讨论 3.1 不同水肥管理对热带地区双季稻田CH4排放的影响
稻田淹水环境导致厌氧条件, 有利于产甲烷菌分解土壤有机质产生CH4[28], 稻田CH4排放是其产生和氧化过程综合作用的结果, 水分养分管理是影响稻田CH4排放的重要因素[29], 本研究结果显示, 灌溉影响早稻季(P < 0.001)和晚稻季(P=0.017)稻田CH4排放(表 4).魏海苹等[30]的研究表明, 整个中国双季早稻季和晚稻季田CH4平均排放量分别为234.3 kg·hm-2和361.8kg·hm-2.本研究早稻季CH4累积排放量为10.3~78.9 kg·hm-2, 高于胡玉麟等[27]在海南三亚地区所报道的结果, 这是由稻田水分管理差异、施肥种类和施肥量不同造成的.本试验晚稻季各处理CH4累积排放量为84.6~185.5 kg·hm-2, 与姜姗姗等[31]研究不同施肥处理CH4排放总量范围为78.6~181.96 kg·hm-2相近, 略高于田伟等[26]研究不同施肥模式晚稻季各处理CH4累积排放量为56.60~175.70 kg·hm-2的结果, 是长期淹水处理造成水分管理差异和有机肥施入量不同造成的.唐海明等[32]研究长期施肥对湖南宁乡县双季稻田CH4排放的结果表明, 早稻季CH4累积排放量为34.70~50.74 kg·hm-2, 晚稻季CH4累积排放量为32.12~60.99 kg·hm-2, 晚稻季CH4累积排放量稍高于早稻季, 本研究早稻季和晚稻季CH4累积排放量均高于其研究结果, 一方面原因可能是水稻种植期间, 热带地区的降水多于亚热带地区, 且稻田水分管理方式不同, 造成稻田产甲烷厌氧微环境不同; 另一方面的原因是高施氮量促进CH4氧化菌活性, 减少了稻田CH4排放[33].与亚热带和温带地区相比, 我国热带地区稻田CH4排放量较高, 尽管我国热带地区水稻种植面积小, 但CH4排放量不容忽视.本研究晚稻季CH4累积排放量高于早稻季, 是由于晚稻季种植期间, 正值海南台风季节, 台风天气对稻田水分管理影响较大.本试验长期淹水处理CH4累积排放量高于常规灌溉处理, Kudo等[34]的研究发现, 与持续淹水相比, 间歇性排水可减少47% CH4排放; 稻田常规灌溉增加土壤通透性, 增加土壤氧化还原电位(Eh), 抑制CH4产生[35]; 淹水造成的厌氧环境, 造成Eh降低.当Eh低于-150 mV时, CH4排放随着Eh降低而呈指数式增加[36]; 并且持续淹水处理水稻生长期间改变水深不会影响Eh状态, 较低Eh导致较高的CH4排放[37, 38].
施肥是影响稻田CH4排放的重要因素, 表 4结果显示, 施肥极显著影响早稻季CH4排放.本研究表明施入有机肥处理CH4排放高于未施有机肥处理, 这与李波[39]的研究结果一致, 有机无机肥配施处理均能促进稻田CH4排放; 郑亮[40]的研究结果也表明, 猪粪部分代替化肥会明显增加稻田CH4排放量; 未淹没稻田土壤中, 有机肥通过促进有氧微生物的活性增加CO2排放; 淹没土壤有机肥发酵促进CH4排放并降低土壤Eh[41, 42].因此, 本试验早稻季和晚稻季均是F-M处理下CH4排放量最高.
3.2 不同水肥管理对热带地区双季稻田N2O排放的影响硝化作用与反硝化作用是土壤产生N2O主要过程[43], 这两个过程与田间水肥管理密切相关, 结果显示(表 4), 施肥极显著影响双季稻田N2O排放, 灌溉极显著影响晚稻季稻田N2O排放.本研究早稻季N2O累积排放量为0.18~0.76 kg·hm-2, 低于钟川等[44]在亚热带季风气候区研究早稻季N2O累积排放量0.68~0.77 kg·hm-2, 也低于董艳芳等[45]在广西南宁研究不同灌溉模式和施氮量处理早稻季N2O累积排放量和胡玉麟等[27]在海南三亚地区所报道的早稻季N2O累积排放量0.19~1.37 kg·hm-2, 主要原因是本试验施入氮肥量较少, 氮肥施入量增加N2O累积排放量也增加[46]; 另一方面是因为琼北地区温度稍低, 温度较高硝化细菌活性也较高[47], N2O排放也增加.本试验中晚稻季N2O累积排放量为0.15~0.58 kg·hm-2, 低于田伟等[26]报道的晚稻季N2O累积排放量0.44~3.40 kg·hm-2, 也低于田昌等[48]在湖南亚热带地区研究控释尿素减施对稻田N2O排放量1.20~1.60 kg·hm-2结果, 主要原因为本试验晚稻季种植期间, 受台风影响淹水时间较长, 厌氧环境造成稻田进行彻底的反硝化作用, N2O排放减少; 同时淹水环境增加NO3--N的淋溶风险[49], 不利于土壤反硝化作用产生N2O.本研究早稻季和晚稻季N2O累积排放量均低于Bhattacharyya等[50]在印度东南亚地区研究稻田N2O累积排放量0.58~1.82 kg·hm-2.
本试验早稻季、晚稻季各处理N2O累积排放量结果为：早稻季N2O累积排放量高于晚稻季, 常规灌溉N2O累积排放量高于长期淹水管理, 主要是由田间水分管理的差异造成的.就施肥模式而言, 只施磷钾肥处理N2O累积排放量最低, D-NPK处理N2O累积排放量最高, 施用尿素可促进土壤N2O排放, 且N2O排放量随尿素用量增加而增加[51], 这主要是由于氮肥和有机肥施入为土壤硝化作用和反硝化作用提供了丰富反应底物.
有研究表明稻田中CH4和N2O排放存在“此消彼长”的关系[52], 本试验的稻田中CH4和N2O排放结果符合这种规律, 水稻种植期间长期淹水处理因淹水造成厌氧环境使得CH4排放增加, 而N2O排放维持在较低水平, 可能是厌氧环境下硝态氮进行彻底的反硝化变成N2, 使N2O排放减少; 而常规灌溉处理排水晒田灌溉交替进行, 在晒田期间N2O排放增加, CH4排放下降, 灌溉时CH4排放增加, N2O排放降低, 这与董艳芳等[45]的研究结果相符, 灌溉造成的厌氧环境有利于产甲烷菌产CH4, 排放增加; 晒田期间有利于土壤硝化过程, N2O排放增加.
3.3 环境因子对热区双季稻田CH4和N2O排放的影响双季稻田CH4和N2O排放受环境因子Eh、5 cm土温、pH和土壤NH4+-N及NO3--N含量的影响.石生伟等[53]的研究表明, 土壤Eh、气温和土壤湿度决定了稻田CH4排放季节性变化, 而稻田N2O排放与水、热等相关环境因子无关.稻田产CH4需要厌氧环境, 稻田Eh低于-150~-160 mV时才产生CH4[36].本研究稻田CH4排放与N2O排放、土壤NH4+-N含量和5 cm土温呈极显著负相关, 与土壤Eh相关性不显著, CH4排放量主要受施肥和灌溉模式的影响; 与田伟等[26]研究晚稻季稻田CH4排放与土壤温度呈显著正相关, 与土壤Eh呈显著负相关的结果相反.可能稻田管理方式不同造成的, CH4排放受水稻施入肥料类型, 施用量和施用方法影响.秦晓波等[54]的研究结果表明, 双季稻田CH4和N2O排放pH值在5~6之间.本研究CH4排放与土壤pH呈极显著正相关, 与张庆国等[55]研究稻田CH4排放与土壤pH呈正相关关系的结果一致, 施入尿素降低土壤pH而增加CH4排放.
本试验发现N2O排放与土壤NH4+-N、NO3--N含量呈极显著负相关, N2O排放量主要受施肥和灌溉模式的影响.与姜珊珊等[31]研究稻田N2O排放与田面水中NH4+-N含量和NO3--N含量呈显著正相关的结果相反.孙小静等[56]的研究显示, 稻田CH4排放与土壤NH4+-N含量呈现显著正相关和稻田N2O排放与土壤NO3--N含量呈极显著正相关.造成本试验结果存在差异的原因可能是施入尿素土壤NH4+-N含量较高, 但稻田含水量较多, 排水造成土壤NH4+-N流失和较强的土壤还原环境不利于土壤NH4+-N硝化, 而土壤NO3--N含量较低.
3.4 不同水肥管理对水稻产量、温室气体增温潜势和排放强度的影响方差分析结果显示(表 4)：施肥是影响水稻产量的关键因素, 灌溉、施肥和灌溉与施肥交互作用极显著影响稻田的GWP和GHGI.当地农民种植水稻习惯性施肥只施含氮磷钾化肥, 常常忽略有机肥配施.本研究D-NPK+M和D-M处理水稻产量均高于D-NPK和D-PK处理, 早稻季D-NPK+M处理产量高于胡玉麟等[27]在三亚地区的早稻季产量, 晚稻季D-M处理产量高于田伟等[26]在澄迈地区种植晚稻季产量, 原因可能为本研究中水稻种植季施入有机肥, 增加了稻田土壤的保肥能力, 排水晒田期间养分流失较少, 养分供应时间延长, 抽穗期养分充足.聂俊等[57]的研究表明, 有机肥和化肥合理配施能显著增加土壤养分和有机质含量, 提高水稻产量.较PK处理而言, 早稻季D-NPK+M、D-M、F-NPK+M和F-M处理, 因为施入有机肥造成CH4排放增加, 从而引起GWP和GHGI也有所增加; 较PK处理而言, D-NPK+M、D-M、F-NPK+M和F-M处理晚稻季GHGI减少.
与当地水稻种植习惯管理模式D-NPK处理相比, 早稻季D-NPK+M处理产量、GWP和GHGI分别增加8.9%、36.4%和33.3%; 晚稻季D-NPK+M处理产量、GWP和GHGI分别增加5.3%、23.0%和16.0%.从经济效益结合环境效益考虑, 保证产量前提下, D-NPK+M处理GWP、GHGI增加最小, 故本试验中D-NPK+M处理为当地双季稻田最佳水肥管理模式, 该结果与姜珊珊等[31]的研究结果一致, 有机无机配施能实现减氮、稳产和减排的效果.
4 结论(1) 灌溉和施肥极显著影响早稻季CH4排放, 灌溉显著影响晚稻季稻田CH4排放.长期淹水和施用有机肥会增加双季稻田CH4排放, 早稻田CH4排放集中在种植中后期, 晚稻田CH4排放集中在种植前中期.
(2) 施肥极显著影响双季稻田N2O排放.常规灌溉增加稻田N2O排放, 施入尿素促进稻田N2O排放, 有机肥配施化肥会减少稻田N2O排放.
(3) 施肥是影响水稻产量的关键因素, 有机肥配施化肥会增加水稻产量.热带地区双季稻田常规灌溉管理和有机肥配施化肥模式, 既能保证水稻产量, 又能实现减氮和减排效果, 是当地值得参考的水肥管理模式.
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