不同灌溉模式寒區(qū)稻田溫室氣體排放與土壤礦質氮特征

曹曉強 魏永霞，2 吳 昱 冀俊超 劉 慧 劉繼龍

(1.東北農業(yè)大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農業(yè)大學農業(yè)農村部農業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030； 3.黑龍江省水利科學研究院， 哈爾濱 100050； 4.海南大學熱帶作物學院， 海口 570228； 5.東北農業(yè)大學文理學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

近年來，全球增溫趨勢日愈嚴重，CH4和N2O作為主要的溫室氣體，在百年時間尺度下其增溫趨勢分別為CO2的25倍和298倍[1]。農田土壤是溫室氣體重要排放源，在我國農業(yè)溫室氣體排放占全國溫室氣體排放的17%[2]，其中水稻田排放量占我國農業(yè)溫室氣體排放量的10.1%[3]。水稻是我國主要的糧食作物之一，2018年僅黑龍江省水稻種植面積就高達378.4萬hm2，水稻產量為2 685.5萬t，占全國水稻產量的12.7%[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5—9月在黑龍江省慶安國家灌溉試驗重點站(46°52′41″N，127°30′4″E)進行。該地年降雨量500～600 mm，多年平均氣溫2.5℃，作物水熱生長期156～171 d，平均無霜期128 d，屬于寒溫帶大陸性季風氣候。試驗地區(qū)屬典型寒地黑土分布區(qū)，土壤類型為典型黑壤土，飽和含水率50%，土壤孔隙度61.8%，pH值6.35，容重1.01 g/cm3。土壤基礎肥力(均為質量比)為：有機質41.8 g/kg、速效鉀112.06 mg/kg、有效磷36.22 mg/kg、全氮15.06 g/kg、全鉀20.11 g/kg、全磷15.23 g/kg和堿解氮198.29 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗在移動式遮雨測坑(2 m×2 m)中進行，以龍慶稻3號水稻為供試作物，共4個處理，分別為對照組(常規(guī)插秧淹灌(CK))及試驗組(控制灌溉(KG)、間歇灌溉(JG)和濕潤灌溉(CI))，每個處理3次重復，共12個測坑。各處理均采用人工插秧種植方式，密度參照當地標準(行距30 cm、穴距13 cm)進行，每穴5株，其中KG處理在分蘗末期采用無水層管理，其余生育期進行“淺、濕、干”循環(huán)交替灌溉；JG處理稻田水分采用“薄水層-濕潤”循環(huán)灌溉模式，在分蘗末期進行曬田；CI處理全生育期不建立水層。各處理肥料施用量為氮肥110 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 80 kg/hm2，氮肥按照基肥、分蘗肥、促花肥、?；ǚ时壤秊?.5∶2∶1.5∶2分施，磷肥作為基肥一次性施入，鉀肥按照基肥、促花肥比例為1∶1分施2次，各處理均為撒施。所有處理均于5月17日插秧，9月22日收獲，不同處理水稻各生育階段水分管理方案見表1。

表1 不同處理水稻各生育階段水分管理方案Tab.1 Water management scheme of rice with different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤溫度測定

所有測坑按深度5、10、15、20 cm埋設曲管地溫計(HY-1型)，地溫觀測從水稻分蘗前期開始至乳熟期結束，每隔5 d觀測一次。觀測時間為每日08:00、12:00、18:00，取其平均值作為日平均土壤溫度(深度5、10、15、20 cm土壤溫度分別以T5、T10、T15、T20表示)。

1.3.2氣體樣品采集與測定

采用人工靜態(tài)暗箱法原位采集氣體，靜態(tài)箱分為不銹鋼底座和頂箱兩部分。不銹鋼底座頂端留有深3 cm、寬3 cm的密封槽，用于采樣時與頂箱密封。頂箱由厚度5 mm的有機玻璃板制成，箱外包裹1層厚度2 cm的海綿及1層鋁箔，以減小采氣期間由太陽輻射引起的箱內溫度變化。水稻生育前期采用的頂箱高60 cm，生育后期采用的頂箱高110 cm。頂箱側面接入采氣管，采氣管進入箱內20 cm，采氣管末端連接三通閥，三通閥其余兩個接頭分別連接采氣袋與醫(yī)用注射器(50 mL)。于分蘗前期(PT)、分蘗中期(MT)、分蘗末期(LT)、拔節(jié)孕穗期(JB)、抽穗開花期(HF)和乳熟期(MM)采集各處理氣體樣品。采樣時間為10:00—11:00，每個處理分別在0、10、20、30 min時采樣。氣體濃度采用氣象色譜儀(島津GC-2010Plus，日本)手動進樣測定。CH4濃度采用氫火焰離子檢測器(FID)檢測，N2O氣體濃度采用電子捕獲檢測器(ECD)檢測。標準氣體由大連大特氣體有限公司提供。

1.3.4產量測定

每個測坑取9穴植株，經過晾曬風干后測定水稻植株穗長、有效穗數、穗粒數、結實率和千粒質量，最終計算理論產量。

1.4 指標計算

CH4和N2O排放量計算公式為

(1)

式中F——CH4(或N2O)排放量，mg/(m2·h)(或μg/(m2·h))

ρ——CH4或N2O標準狀態(tài)下密度，kg/m3

h——采樣箱有效高度，m

T——采樣箱內溫度，℃

dc/dt——采樣過程中CH4(或N2O)濃度變化率，mL/(m2·h)(或μL/(m2· h))

全球變暖潛勢值和氣體累積排放量計算公式為

GWP=25FCH4+298FN2O

(2)

(3)

式中GWP——CH4或N2O排放量全球增溫潛勢值，kg/hm2

FCH4——水稻全生育期CH4累積排放量，kg/hm2

FN2O——水稻全生育期N2O累積排放量，kg/hm2

GWPy——以產量為基準的全球變暖潛勢值，kg/kg

Y——產量，kg/hm2

(4)

C——流動分析儀測試值，mg/L

V——浸提溶液體積，mL

m——土壤質量，g

1.5 數據處理方法

所有指標均采用平均值，采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行初步處理，用Origin 9.0進行繪圖，用SPSS 22.0進行顯著性分析，多重比較采用LSD法，顯著性水平P<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉模式下稻田土壤溫度變化特征

作為反映土壤熱量的指標，適宜的土壤溫度能有效促進農作物的營養(yǎng)生長和生殖生長。圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異性顯著(P<0.05)，下同)為不同灌溉模式稻田5、10、15、20 cm處土壤溫度變化曲線。由圖1可知，不同處理稻田土壤各土層溫度均呈先升高后降低的變化趨勢。5 cm土層土壤溫度，CK處理于分蘗末期升至最高，其余處理均于拔節(jié)孕穗期升至最高；10 cm土層土壤溫度各處理均于拔節(jié)孕穗期升至最高，除乳熟期外，CK處理土壤溫度均高于KG、JG、CI處理，表明常規(guī)淹灌水稻10 cm土層土壤增溫效果優(yōu)于節(jié)水灌溉水稻土壤；15、20 cm土層土壤溫度變化與5 cm土層土壤溫度變化一致。不同灌溉條件下，不同土層土壤達到最高溫度時期均為水稻分蘗末期或拔節(jié)孕穗期，這有助于在水稻快速生長階段提供適宜的溫度，促進作物生長。

圖1 不同處理土壤溫度變化曲線Fig.1 Change curves of soil temperature under different treatments

2.2 不同灌溉模式下稻田CH4和N2O排放量

2.2.1稻田CH4排放量變化特征

圖2為不同灌溉模式稻田的CH4排放量。由圖2可知，全生育期內各處理稻田CH4的排放變化曲線為先增后降的單峰曲線。分蘗前期，各處理稻田CH4排放量均處于較低水平；分蘗中期至分蘗末期，各處理CH4排放量緩慢增長；分蘗末期至抽穗開花期，各處理CH4排放量均處于較高水平，于拔節(jié)孕穗期達到排放峰值，由大到小依次為CK、CI、JG、KG，KG、JG、CI處理CH4排放量分別較CK處理降低34.07%、28.29%、20.65%，處理間差異顯著(P<0.05)；抽穗開花期后，各處理CH4排放均緩慢降低。CK處理全生育階段的CH4排放量均高于KG、JG、CI處理，表明不同水分管理對稻田CH4排放影響明顯，水分管理模式下有利于減少稻田CH4的排放。

圖2 不同處理稻田CH4排放量曲線Fig.2 Change curves of CH4 emission in paddy fields under different treatments

2.2.2稻田N2O排放量變化特征不同灌溉模式稻田N2O的排放變化特征曲線如圖3所示。由圖3可知，全生育期內各處理N2O的排放呈先增加后降低的倒“V”形變化趨勢。分蘗前期至拔節(jié)孕穗期，各處理N2O排放量緩慢增加，處于較低水平；拔節(jié)孕穗期至乳熟期，各處理稻田N2O排放量處于較高水平，于抽穗開花期達到排放峰值，由大到小依次為CI、KG、JG、CK， KG、JG、CI處理N2O排放量分別較CK處理增加17.96%、9.59%、20.61%，處理間差異顯著(P<0.05)；抽穗開花期后，各處理稻田N2O排放量快速降低。CK處理各生育階段N2O排放量均低于KG、JG、CI處理，表明水分管理模式下促進了稻田N2O排放。

圖3 不同處理稻田N2O排放量曲線Fig.3 Change curves of N2O emission in paddy fields under different treatments

2.3 不同灌溉模式下稻田土壤礦質氮動態(tài)變化

圖4 不同土層含量變化曲線Fig.4 Change curves of content in different soil layers

圖5 不同土層含量變化曲線Fig.5 Change curves of content in different soil layers

圖6 不同處理稻田土壤平均含量Fig.6 Average content of in paddy soil under different treatments

圖7 不同處理稻田土壤平均含量Fig.7 Average content of in paddy soil under different treatments

2.4 不同灌溉模式下稻田土壤溫度、礦質氮含量與CH4和N2O排放量的相關性

表2 不同灌溉模式下CH4和N2O排放量與土壤溫度和礦質氮含量的相關系數Tab.2 Correlation coefficients of CH4 and N2O emission fluxes with soil temperature and mineral nitrogen under different irrigation modes

2.5 不同灌溉模式下稻田CH4和N2O累積排放量、作物產量及綜合溫室效應

不同處理稻田CH4和N2O累積排放量、作物產量、綜合溫室效應及單位產量溫室效應見表3。由表3可知，各處理稻田CH4累積排放量遠高于N2O累積排放量，各處理稻田CH4累積排放量由大到小依次為CK、JG、KG、CI，KG、JG、CI處理稻田CH4累積排放量分別較CK處理降低28.33%、25.91%、29.70%，各處理CH4累積排放量均與CK處理差異顯著(P<0.05)，表明節(jié)水灌溉模式有利于降低CH4累積排放量，減緩溫室效應；各處理稻田N2O累積排放量由大到小依次為CI、KG、JG、CK，KG、JG、CI處理稻田N2O累積排放量分別較CK處理增加24.51%、12.75%、25.49%，各處理N2O累積排放量均與CK處理差異顯著(P<0.05)，表明節(jié)水灌溉模式促進了N2O累積排放量增加。

表3 不同處理CH4和N2O累積排放量、作物產量、綜合溫室效應及單位產量溫室效應Tab.3 Cumulative emissions of CH4 and N2O, crop yield, comprehensive greenhouse effect and greenhouse effect per unit yield under different treatments

各處理產量由大到小依次為JG、CK、KG、CI，其中JG處理產量較CK處理增加2.98%，KG和CI處理分別較CK處理降低3.79%和6.75%。百年尺度上各處理CH4和N2O綜合溫室效應(GWP,根據式(2)，以CO2作為參考氣體，GWP=1 kg/hm2，在百年尺度下其增溫趨勢分別為CO2的25倍和298倍，分別求出其排放CO2當量，兩者求和計算得出)來看，CH4是稻田系統(tǒng)GWP的主要影響因素，各處理GWP由大到小依次為CK、JG、KG、CI，其他處理GWP較CK處理下降顯著(P<0.05)；單位產量溫室效應(GWPy)表現為CK最大，為3.91 kg/kg，KG、JG、CI處理分別較CK處理降低24.98%、27.69%、24.06%，表明節(jié)水灌溉模式保產情況下能有效減緩稻田溫室效應。

3 討論

隨著全球變暖趨勢的日益嚴重，減排CH4和N2O等溫室氣體已刻不容緩。農業(yè)作為溫室氣體的重要排放源，在我國農業(yè)溫室氣體排放占比較高[2]，而水稻作為我國主要作物之一[4]，促使稻田土壤溫室氣體排放量減少尤為可觀。有學者研究發(fā)現稻田節(jié)水灌溉模式CH4排放量比常規(guī)插秧淹灌顯著減少且不同節(jié)水灌溉模式下氣體減排程度不均衡[15]，也有研究表明間歇濕潤灌溉CH4排放量較長期淹灌條件下顯著減少[16]，而節(jié)水灌溉模式下的N2O排放均有不同程度增加[17-18]。本研究中，節(jié)水灌溉模式KG、JG和CI處理全生育期內CH4排放量均低于常規(guī)插秧淹灌CK處理，而N2O排放量均高于常規(guī)插秧淹灌CK處理，可能是由于KG處理稻田在生育期內進行“淺、濕、干”循環(huán)交替灌溉、JG處理稻田水分采用“薄水層-濕潤”循環(huán)灌溉、CI處理全生育期無水層管理條件下土壤水層水分變化頻繁，極大地改善土壤通透性，破壞了甲烷菌群厭氧環(huán)境[9]，從而減少了CH4排放，但也促進了反硝化作用，增加了N2O排放；也可能是由于節(jié)水灌溉稻田作物為保持水分減少蒸騰關閉部分氣孔，減少稻田植株CH4氣體排放[19]。以上結論表明不同水分管理對稻田CH4和N2O排放影響明顯，水分管理模式下有利于減少稻田CH4排放而促進了N2O排放，這與AHN等[15]、HOU等[17]研究結果一致。各處理CH4排放峰值出現在拔節(jié)孕穗期，這與周玲紅等[20]研究表明CH4排放峰值出現在齊穗期不同，可能是由于拔節(jié)孕穗期經過分蘗末期稻田曬田或無水層管理后土壤水分含量增加形成新的厭氧環(huán)境，進一步刺激了CH4菌的形成，促進了CH4大量排放。

土壤溫度對作物根系及土壤微生物活動有所影響，是作物生長狀況和產量的必備要素，直接或間接影響CH4和N2O的排放。本研究表明土壤溫度與節(jié)水灌溉模式CH4排放量有顯著相關性，且節(jié)水灌溉模式各處理土壤溫度與CH4排放量相關性均高于常規(guī)插秧淹灌處理，可在作物種植管理方式上適度控溫達到減排CH4的效果，減緩增溫趨勢；而各處理土壤溫度與N2O排放量相關性不顯著。節(jié)水灌溉各處理CH4累積排放量均低于常規(guī)插秧淹灌處理，而N2O累積排放量均高于常規(guī)插秧淹灌處理，而節(jié)水灌溉綜合增溫潛勢均低于常規(guī)插秧處理，表明節(jié)水灌溉模式能有效減少稻田溫室氣體排放。在不減產的前提下減排溫室氣體，將水稻產量與增溫潛勢綜合考慮相對能更好平衡經濟效益和溫室效應[24]。本試驗中從單位產量溫室效應(GWPy)來看，節(jié)水灌溉KG、JG、CI處理分別較CK處理降低24.98%、27.69%、24.06%，研究表明節(jié)水灌溉模式保產情況下能有效減緩稻田溫室效應。

4 結論

(1)不同灌溉模式對CH4和N2O排放峰值有所影響，相較于CK處理，KG、JG、CI處理的CH4排放峰值均有所降低，而N2O排放峰值均呈增加趨勢。CH4排放峰值降幅由大到小依次為KG、JG、CI處理，N2O排放峰值的增幅由大到小依次為CI、KG、JG處理。

(4)節(jié)水灌溉模式在保證產量的情況下能有效減緩溫室效應。KG、JG和CI處理的CH4累積排放量均低于CK處理，而N2O累積排放量均高于CK處理；百年尺度的各處理CH4和N2O綜合溫室效應，3種節(jié)水灌溉模式處理的GWP較CK處理下降顯著(P<0.05)；單位產量的溫室效應，KG、JG、CI處理分別較CK處理降低24.98%、27.69%和24.06%。