稻田土壤理化特征與甲烷排放對(duì)鐵爐渣施加響應(yīng)

王維奇，王 純，李鵬飛，林德華

（1.福建師范大學(xué) 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué) 亞熱帶濕地研究中心，福建 福州 350007）

全球變暖是當(dāng)今的熱點(diǎn)問題，甲烷因其高效的單分子增溫潛勢(shì)使其成為僅次于二氧化碳的重要溫室氣體［1－2］。甲烷的主要生物源是厭氧生境，稻田的持續(xù)性淹水成為主要的甲烷排放人為源，排放量為20～100 Tg／a［3］。因此，如何有效地減緩稻田甲烷排放并抑制全球變暖成為了各國(guó)政府和科學(xué)家關(guān)注的問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已通過水分管理［4－5］、土壤改良［6－7］、水稻品種選擇［8］等方式來減少稻田甲烷排放。

電子受體對(duì)甲烷產(chǎn)生的抑制作用已得到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的認(rèn)可［9－10］，在諸多電子受體之中，鐵受體因其在土壤中的數(shù)量較多且在稻田排干后的可再生特性，使其在稻田甲烷減排過程中得到重視［11］。鐵爐渣作為鋼鐵工業(yè)的廢棄物，含有豐富的鐵受體。Ali等［12］的實(shí)驗(yàn)表明，可使稻田甲烷減排16%～20%，與此同時(shí)，稻谷產(chǎn)量提高了13%～18%。但這一成果是在溫帶地區(qū)稻田開展的，在亞熱帶區(qū)域鐵爐渣的施加是否也可實(shí)現(xiàn)甲烷減排與稻谷增產(chǎn)尚不清楚；若可實(shí)現(xiàn)，主要是通過哪種土壤因子的改變而降低稻田甲烷排放的，也鮮見報(bào)道。基于此，本研究開展了鐵爐渣調(diào)節(jié)稻田甲烷排放的影響因子分析，為我國(guó)稻田甲烷減排提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣點(diǎn)

研究區(qū)位于閩江河口區(qū)福州平原的南分支——烏龍江的北岸，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為19.6℃，年均降水量為1392.5mm，蒸發(fā)量為1413.7mm，相對(duì)濕度為77.6%，地貌主要為沖海積平原，地表平坦，海拔3～5m，零星分布剝蝕丘陵地貌［13］。實(shí)驗(yàn)區(qū)位于福建省農(nóng)科院水稻所吳鳳綜合實(shí)驗(yàn)基地（26.1°N，119.3°E）內(nèi)［14］，該實(shí)驗(yàn)基地共有稻田7hm2［15］。土壤耕作層有機(jī)碳含量為18.11g／kg、全氮1.28g／kg、全磷1.07g／kg。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要實(shí)行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度，本實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的前茬作物為花菜，實(shí)驗(yàn)前對(duì)翻耕后的田地進(jìn)行人工整平，以保持土壤的均一性。實(shí)驗(yàn)始于2011年4月中旬，至同年7月中旬結(jié)束。實(shí)驗(yàn)稻田為早稻田，水稻栽培品種為江西省農(nóng)科院研發(fā)的和盛10號(hào)，4月16日機(jī)插移栽，機(jī)插采用春苗插秧機(jī)，株行距為14cm×28cm。施用底肥為復(fù)合肥和尿素，施肥量：N、P2O5、K2O 都為70kg／hm2，尿素25 kg／hm2；蘗肥在約1周后施加，為復(fù)合肥和尿素，N、P2O5、K2O 都為20kg／hm2，尿素15kg／hm2；穗肥約在8周后施加，為復(fù)合肥和尿素，N、P2O5、K2O為10 kg／hm2，尿素8kg／hm2。水稻生長(zhǎng)期基本處于淹水狀態(tài)，水深約5～7cm，水稻成熟時(shí)曬田。

在實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇相對(duì)平整的稻田，設(shè)置對(duì)照樣地（CK）和2Mg／hm2（Fe I）、4Mg／hm2（Fe II）、8Mg／hm2（Fe III）的鐵爐渣施加樣地，并在水稻移栽前將鐵爐渣（經(jīng)粗粉碎，直徑小于2mm）施加到實(shí)驗(yàn)田里。每個(gè)處理樣地長(zhǎng)×寬為4m×3m，并用PVC板隔離，防止實(shí)驗(yàn)田間水體、物質(zhì)互相流通交換。各處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)靜態(tài)箱底座里應(yīng)包含有2株植物體長(zhǎng)勢(shì)相似的水稻苗，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后，計(jì)算好要施加的爐渣量（鐵爐渣中含有CaO、SiO2和Fe2O3分別為34.9%、40.7%和4.8%），鐵爐渣分別均勻撒入實(shí)驗(yàn)田中。在測(cè)定過程中，為了減少人為干擾，實(shí)驗(yàn)均在人工搭設(shè)的棧橋上進(jìn)行。

1.2 樣品采集與分析方法

采用靜態(tài)箱法－氣相色譜法對(duì)稻田甲烷排放過程進(jìn)行測(cè)定。靜態(tài)箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長(zhǎng)寬高分別為0.3m×0.3m×1.0m（頂端安裝有小風(fēng)扇并具溫度計(jì)插孔），側(cè)面有抽氣孔，底座長(zhǎng)×寬×高分別為0.3m×0.3m×0.3m（具凹槽），并在整個(gè)生長(zhǎng)期固定在樣地內(nèi)。

采樣時(shí)間一般是09：00—13：00，在約09：00和12：00各測(cè)定1次甲烷排放量，這樣重復(fù)測(cè)定2次可使甲烷排放量更加接近于一天的平均值，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。甲烷排放量的測(cè)定采用靜態(tài)箱法直接測(cè)定，蓋上頂箱后立刻用100mL注射器抽取甲烷氣體70 mL，并打入氣袋內(nèi)，后每隔15min再抽取一次樣品，共抽取3次，在抽氣過程中保持勻速，同時(shí)在底座凹槽內(nèi)加水密封，防止靜態(tài)箱內(nèi)甲烷氣體外泄。

與此同時(shí)，用IQ150便攜式pH計(jì)（IQ Scientific Instruments）測(cè)定土深為0～20cm土壤溫度和pH值；用2265FS便攜式電導(dǎo)鹽分儀（Spectrum Technologies Inc.）測(cè)定土壤鹽分。土壤三價(jià)鐵的測(cè)定采用RPA100型鐵含量測(cè)定儀（江蘇江環(huán)科技有限公司）。

采集的甲烷氣樣用日本島津公司生產(chǎn)的氣相色譜儀（GC－2014）進(jìn)行分析。甲烷檢測(cè)器為FID，色譜柱為5A分子篩，進(jìn)樣口溫度為60℃，檢測(cè)器溫度為200℃，柱箱溫度為80℃，載氣為高純氦氣，流速為30 mL／min，用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院生產(chǎn)的CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。通過標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測(cè)氣體的峰面積計(jì)算待測(cè)氣體的濃度。甲烷排放量的計(jì)算公式為

其中：Q為甲烷排放量（mg／（m2·h））；M 為甲烷的摩爾質(zhì)量（g）；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1摩爾甲烷氣體的體積（L）；H 為靜態(tài)箱高度；dc／ct為單位時(shí)間采氣箱內(nèi)甲烷氣體濃度的變化率（μmol／（mol·h））；T 為靜態(tài)箱內(nèi)溫度（℃）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。原始數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算采用Excel 2003，甲烷排放的測(cè)定數(shù)據(jù)為09：00與12：00測(cè)定結(jié)果的平均值，采用SPSS 13.0中One—Way ANONY對(duì)不同爐渣施加量比例下稻田甲烷排放、環(huán)境因子的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，環(huán)境因子與甲烷排放的相關(guān)性采用preson相關(guān)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 鐵爐渣對(duì)稻田甲烷排放的影響

如圖1（a）所示，甲烷的排放量在移栽后15d內(nèi)很低，之后明顯增加。CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地甲烷排放量分別為0.04～7.99、0.03～7.33、0.06～6.30、0.08～5.12mg／（m2·h），平均值分別為4.19、3.28、2.50、2.08mg／（m2·h），各處理之間差異顯著（P＜0.05）。

2.2 鐵爐渣施加對(duì)稻田土壤環(huán)境因子的影響

2.2.1 鐵爐渣施加對(duì)稻田土壤三價(jià)鐵的影響

鐵爐渣中三氧化二鐵含量約占4.8%，鐵爐渣添加后三價(jià)鐵離子溶于水稻田土壤中，增加了水稻田土壤的鐵含量（見圖1（b）），CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土壤中三價(jià)鐵的含量分別為1.32～7.85、2.66～9.11、5.80～12.48、2.99～15.48mg／g，平均值分別為4.21、5.55、8.93、9.88mg／g，用c 表示土 壤中Fe2O3含量，有c（CK）＜c（Fe I）＜c（Fe II）＜c（Fe III），對(duì)照樣地與Fe I差異顯著（P＜0.05），與Fe II和Fe III差異極顯著（P＜0.01）。

圖1 稻田甲烷排放與三價(jià)鐵含量季節(jié)變化

2.2.2 鐵爐渣施加對(duì)稻田土壤鹽度的影響

從圖2（a）中可以看出，施加鐵爐渣后，土壤鹽度的變化比較明顯，CK、Fe I、Fe II、Fe III樣地土壤鹽度范圍分別為0.46～0.73、0.67～1.01、0.65～0.92、0.62～1.23mS／cm，平均值分別為0.62、0.84、0.79、0.93mS／cm，表現(xiàn)出CK的鹽度＜Fe II的鹽度＜Fe I的鹽度＜Fe III的鹽度，其中鹽度增加最大的是Fe III樣地，增幅達(dá)50%。對(duì)照樣地與各處理差異極顯著（P＜0.01）。

2.2.3 鐵爐渣施加對(duì)稻田土壤pH的影響

如圖2（b）所示，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土壤pH值范圍分別為6.32～6.99、6.40～7.18、6.44～7.49、6.54～7.57，平均值為6.75、6.94、7.05、7.17。鐵爐渣的施加增加了土壤pH值，隨著爐渣施加量增大，土壤pH值也增大。對(duì)照與Fe I差異顯著（P＜0.05），與Fe II和Fe III差異極顯著（P＜0.01）。

圖2 稻田土壤鹽度和pH的變化

2.2.4 鐵爐渣施加對(duì)稻田土壤溫度的影響

施加鐵爐渣后，測(cè)定了不同的鐵爐渣施加對(duì)水稻田土溫的影響。圖3顯示的是在施加鐵爐渣后水稻生長(zhǎng)階段土壤溫度變化趨勢(shì)圖。從整體來看，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土溫隨著水稻移栽天數(shù)的增加都是逐漸上升的，中間有遇到陰雨天氣可能會(huì)導(dǎo)致溫度偏低。CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地土溫分別為19.53～27.43、19.43～27.40、19.87～27.43、20.30～27.47℃，平均值分別為23.76、23.82、23.92、24.03℃。各處理樣地與對(duì)照樣地之間差異不顯著。

圖3 稻田土壤溫度變化

2.2.5 稻田甲烷排放與土壤環(huán)境因子分析

爐渣施加后土壤中三價(jià)鐵含量、鹽度和pH值發(fā)生了顯著的變化，相關(guān)分析表明，三價(jià)鐵含量、鹽度和pH值的變化與甲烷排放極顯著相關(guān)，分別有：r＝－0.322，P＜0.01；r＝－0.258，P＜0.01；r＝－0.359，P＜0.01。

3 結(jié)論

（1）鐵爐渣的施加降低了稻田甲烷排放。

（2）鐵爐渣的施加增加了土壤三價(jià)鐵含量、鹽度和pH值，但對(duì)土壤溫度的影響不顯著。

（3）鐵爐渣的施加降低甲烷排放與其施加后土壤三價(jià)鐵含量、鹽度和pH值的升高密切相關(guān)。

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