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  土壤学报  2022, Vol. 59 Issue (5): 1386-1396  DOI: 10.11766/trxb202011250646
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引用本文  

曹开勋, 赵坤, 金王飞飞, 等. 水氮互作对稻田温室气体排放的影响. 土壤学报, 2022, 59(5): 1386-1396.
CAO Kaixun, ZHAO Kun, JIN Wangfeifei, et al. Effects of Water-nitrogen Interaction on Greenhouse Gas Emissions in a Paddy Soil. Acta Pedologica Sinica, 2022, 59(5): 1386-1396.

基金项目

国家重点研发计划项目(2017YFD0301302)和安徽科技学院大学生创新训练计划项目(X202010879009)资助

通讯作者Corresponding author

肖新, E-mail:xiaoxin8088@126.com

作者简介

曹开勋(1996—),男,安徽宣城人,硕士研究生,主要从事农田温室气体排放研究。E-mail:kaixuncao@gmail.com
水氮互作对稻田温室气体排放的影响
曹开勋, 赵坤, 金王飞飞, 朱同云, 单新亮, 梅航, 朱礼洋, 钱丽丽, 王峰, 肖新    
安徽科技学院资源与环境学院, 安徽凤阳 233100
摘要:水肥管理对农田土壤肥力质量和环境质量有重要影响。依托安徽科技学院长期定位试验小区,通过设置两种灌溉模式(控制灌溉C1和常规灌溉C2)以及三个施氮水平(低氮N1、中氮N2和高氮N3),研究水氮互作对稻田温室气体CH4、N2O和CO2排放及土壤理化性质的影响。结果表明,与常规灌溉相比,控制灌溉可显著降低稻田中的CH4和N2O的累计排放量,降幅分别为43.12%和23.53%;常规灌溉条件下,低、中、高施氮处理的土壤铵态氮含量分别为35.26、38.90和35.20 mg·kg–1,而控制灌溉分别为33.08、34.30和42.40 mg·kg–1;控制灌溉条件下,CO2排放量高于常规灌溉,且随施氮水平的提高而增加。根据总体温室效应分析,控制灌溉下稻田的全球增温潜势(global warming potential,GWP)为0.55 t·hm–2(以CO2当量计),远低于常规灌溉下稻田0.82 t·hm–2,且中氮处理下稻田的GWP远低于低氮和高氮处理。水氮耦合是稻田N2O排放的主要影响因素,且在中、高氮施肥条件下,稻田N2O排放对于温室效应的贡献大于CH4。因此,采用控制灌溉结合氮肥减量施用,可有效减少农田温室气体CH4和N2O的排放,维持较高的土壤铵态氮水平,这对提高土壤肥力质量和发展可持续农业具有重要意义。
关键词水分管理    施氮水平    温室气体    增温潜势    水稻土    
Effects of Water-nitrogen Interaction on Greenhouse Gas Emissions in a Paddy Soil
CAO Kaixun, ZHAO Kun, JIN Wangfeifei, ZHU Tongyun, SHAN Xinliang, MEI Hang, ZHU Liyang, QIAN Lili, WANG Feng, XIAO Xin    
College of Resource and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang, Anhui 233100, China
Abstract: 【Objective】In order to study the effects of water management-nitrogen fertilizer on greenhouse gas(CH4, N2O and CO2)emission and soil physicochemical properties.【Method】Two irrigation modes including controlled irrigation(C1)and normal irrigation(C2), and three nitrogen application levels(low nitrogen, N1; medium nitrogen, N2 and high nitrogen, N3)were set up under a long-term pilot plot.【Result】The results showed that compared with normal irrigation, controlled irrigation significantly reduced the cumulative emissions of CH4 and N2O by 43.12% and 23.53%, respectively. Under normal irrigation, the contents of soil ammonium nitrogen in low nitrogen, medium nitrogen and high nitrogen treatments were 35.26, 38.90 and 35.20 mg·kg–1, respectively, while those under controlled irrigation were 33.08, 34.30 and 42.40 mg·kg–1, respectively. Under the condition of controlled irrigation, CO2 emission was higher than that of conventional irrigation and increased with the increase of nitrogen application level. According to the overall analysis of the Greenhouse Effect, the GWP(global warming potential)of 0.55 t·hm–2 under controlled irrigation was much lower than that of 0.82 t·hm–2, under conventional irrigation, while the GWP of 0.65 t·hm–2 under N2 treatment was much lower than that of 0.74 t·hm–2 under N1 treatment and 0.67 t·hm–2 under N3 treatment. The coupling of water and nitrogen was the main factor affecting N2O emission from the paddy field, and under medium and high concentration of nitrogen application, the contribution of N2O emission from the paddy field to the Greenhouse Effect was greater than that of CH4.【Conclusion】Therefore, the application of controlled irrigation combined with reduced nitrogen fertilizer can effectively decrease the emissions of greenhouse gases, maintain a high level of soil ammonium nitrogen in paddy soil, which is of great significance for improving soil fertility quality and developing sustainable agriculture.
Key words: Water management    Nitrogen application rate    Greenhouse gases    Global warming potential    Paddy soil    

近年来随着人类活动产生的温室气体增加,温室效应日渐明显,全球气温随之不断攀升,这已成为当今人类面临的一个重大挑战。大气中温室气体主要有CO2、CH4和N2O,对温室效应的贡献率近80%[1]。水稻(Oryza sativa L.)作为我国重要的粮食作物之一,约占我国粮食总产量的50%左右[2],稻田土壤作为大气温室气体的重要排放源之一,相关研究受到不同学科研究者的广泛关注。

水分管理与氮肥施用影响水稻产量,同时也是影响稻田温室气体排放的重要因素[3]。土壤中的有机质矿化是大气CO2浓度升高的重要原因之一,其主要来源于土壤生物的新陈代谢,而稻田CH4排放量主要受产甲烷菌和土壤理化性质的影响[4]。孙志强等[5]研究表明,农田中的N2O主要来源于土壤微生物的硝化作用和反硝化作用。水分管理和施氮水平对温室气体排放的影响不同,但均主要通过影响土壤生物和环境条件改变农田温室气体的排放[6]。水稻作为高耗水作物,其用水量占农业用水量的65%以上[7]。大量研究表明,控制灌溉可影响相关功能微生物的活性和无机氮的含量,从而显著减少N2O或CH4的排放[8];同时,由于氮肥投入量的增加,预计到2030年农田N2O的排放量将增加35%~60%[9],CH4也以每年1.1%的速度增长[10]。氮肥施用量的增加会提高土壤pH,增加无机氮和N2O等相关温室气体的排放通量,显著增加全球增温潜势[11]。土壤铵态氮是微生物硝化反应的底物,而pH是影响土壤硝化作用最重要的环境因子之一[12]。因此,研究水氮互作对于温室气体排放和土壤理化性质的影响,对验证水氮耦合作用于水稻高产减排模型有着重要作用,对于理解稻田土壤温室气体排放和土壤理化性质的影响也具有重要意义。

本研究依托安徽科技学院长期定位试验小区,开展水稻不同生育期土壤理化性质和温室气体排放动态监测,旨在阐明水氮互作对稻田温室气体排放、增温潜势和土壤肥力质量的影响,为验证农田生态系统温室气体排放影响的模型提供基础数据,为稻田土壤节水灌溉和肥料减施提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验在华北平原南部安徽科技学院植物园(32°86′N,117°4′E)进行。该地区属亚热带季风气候,2019年降水量约745.9 mm,年平均气温14.9℃试验小区土壤类型为潴育型水稻土,耕作层(0~20 cm)土壤基本理化性质为:土壤pH7.91,有机质9.87 g·kg–1,全氮0.94 g·kg–1,全磷0.19 g·kg–1,全钾10.31 g·kg–1,有效氮68.12 mg∙kg–1,有效磷32.81 mg·kg–1,速效钾64.93 mg·kg–1。试验小区一直实行水稻-小麦水旱轮作。

1.2 田间试验设计和样品采集

在氮肥施用量为基肥︰分蘖肥︰穗肥=5︰2︰3的基础上,设计低、中、高三种施氮处理(氮肥尿素,含氮460 g·kg–1),即N1(90 kg· hm–2(以N计,下同))、N2(180 kg·hm–2)和N3(270 kg·hm–2);配施过磷酸钙(含P2O5 120 g·kg–1)和氯化钾(含K2O 600 g·kg–1)两种肥料,施用量分别为75 kg·hm–2和150 kg·hm–2。供试水稻品种为“冈优527号”,田间试验于6月28日移栽,10月28日收获,分蘖肥和穗肥分别于7月10日和8月5日撒施。此外,设置控制灌溉(C1)和常规灌溉(C2)两个灌溉处理,不同处理土壤水分设计如表 1所示。按照C1N1、C1N2、C1N3、C2N1、C2N2、C2N3对各处理进行编号,每个处理3次重复,随机排列。

表 1 水稻不同灌溉模式的土壤水分调节标准 Table 1 The standard for soil moisture regulation under different rice irrigation modes

于水稻分蘖期用抖动法采集每个小区的根际土壤样品[13],样品共计18个。将各小区采集的样品装入自封袋,注明采样时间、采样地点和采样人等详细信息,风干处理并充分混匀,过筛后保存,用于后续理化性质的测定。

1.3 温室气体测定

在水稻移栽前,在每个小区内固定安装一个聚氯乙烯(PVC)通量环,采用静态箱法进行人工采集气体,每5~6天一次,采集时间为上午8:00至10:00,将气室放置于预先固定的项圈上0、5和10 min后,用60 mL注射器从气室顶空采集气体样本。在气相色谱仪分析之前,将气体样品储存于注射器中,然后再储存在真空小瓶中。样品采集后1 d内,使用配备电子捕获检测器(ECD)和火焰离子化检测器(FID)的气相色谱仪(Agilent 7890A,Gow Mac Instrument Company,Bethlehem,PA,美国)同时分析CO2、N2O和CH4。用连续样品温室气体浓度的线性回归斜率计算气体流量。线性回归值R2小于0.90的样本被排除在数据集外[14]

CO2、N2O和CH4排放通量计算:

$ F = {\rm{ \mathsf{ ρ} }}\frac{{\text{V}}}{{\text{A}}}\frac{{\Delta c}}{{\Delta t}}\frac{{273}}{{273 + T}} $ (1)

式中,F为CO2、N2O和CH4排放通量,μg·m–2·h–1;ρ为标准状态下CO2、N2O和CH4密度,kg·m–3;V为密闭箱内有效的空间体积,m3;A为密闭箱覆盖的面积,m2;Δc/Δt为箱内目标气体浓度随时间(h)变化的回归曲线斜率;T为采样时密闭箱的温度,℃。

CO2、N2O和CH4累积排放量计算:

$ {E_c} = \sum\limits_{i = 1}^n {(\frac{{{F_{\text{i}}} + {F_{i + 1}}}}{2}) \times \left( {{t_{i + 1}} - {t_i}} \right) \times 24} $ (2)

式中,Ec为CO2、N2O和CH4累积排放量,kg·hm–2ti+1ti为第i次和i+1次采样的时间间隔,d;n为观测期间总测定次数。已知CH4和N2O在100年尺度上的全球增温潜势(global warming potential,GWP)分别为CO2的25倍和298倍[15],用下面公式计算不同处理排放CH4和N2O产生的综合温室效应:

$ {\rm{GWP}}=E_{{\rm c}}{\rm{(CH_{4})}}×25 + E_{\rm c}{\rm{(N_{2}O)}}×298 $ (3)

pH利用玻璃电极酸度计(FiveEasy FE20,瑞士)按土水比1:2.5(W:V)测定;土壤全氮、铵态氮、硝态氮的测定采用氯化钙浸提—流动分析仪(SKALAR San + +,荷兰)进行;其他土壤理化性质的测定参照《土壤农化分析》[16]:土壤有机碳采用重铬酸钾氧化—外加热法测定;土壤有效磷(available phosphorus,AP)采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定;土壤速效钾(available potassium,AK)采用醋酸铵浸提—火焰光度计法测定;土壤全磷(total phosphorus,TP)采用高氯酸-硫酸消煮—钼锑抗比色法测定;土壤全钾(total potassium,TK)采用高氯酸-硫酸消煮法—火焰光度计法测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理和作图,应用IBM SPSS Statistics 25软件进行方差分析(ANOVA),差异显著水平通过最小显著差异法(LSD)进行检验(P < 0.05)。

2 结果 2.1 水氮互作对稻田温室气体排放的影响

图 1所示,控制灌溉和常规灌溉条件下CH4随水稻生育期呈现明显的动态变化,主要排放高峰位于水稻生长季的分蘖期。控制灌溉能够降低甲烷排放量,稻田的CH4排放在蘖肥施用后的淹水状态下呈现平稳上升趋势,并在淹水状态的后期出现排放高峰(图 1a)。此后,在常规灌溉开始晒田且控制灌溉开始进行控制用水,CH4排放通量均表现为迅速下降,但在水稻穗期前出现一个较小的排放高峰,其余生育期内的CH4排放通量维持在较低的水平(≤0.42 μg·m–2·h–1)。灌溉对于CH4排放量影响显著,常规灌溉的累计排放总量均值为16.35 kg·hm–2,而控制灌溉的累计排放量均值为9.34 kg·hm–2,相对减少了42.86%,且各灌溉条件下CH4的排放通量随施氮量减少而增加(图 1b);施氮对CH4排放量影响极显著,不同灌溉下的CH4排放量随施氮量的变化不同,常规灌溉下N2施氮处理的CH4的排放总量较N1、N3施氮处理分别降低了30.40%和7.50%,而控制灌溉下N1、N2、N3处理CH4的排放总量分别为12.09、8.40和7.54 kg·hm–2,随施氮处理呈现N1、N2、N3依次降低的趋势(图 1c)。因此,常规灌溉下减少一定量的施氮能够有效减少CH4的排放,而控制灌溉下想要有效减少CH4的排放,需要提高一定的施氮水平。

注:C1,控制灌溉;C2,常规灌溉;N1,低氮处理;N2,中氮处理;N3,高氮处理;F,漫灌;D,晒田;a,b,c表示显著性差异程度(P < 0.05);图中星号表示方差分析的显著性(* P < 0.05,** P < 0.01,*** P < 0.001)。下同。  Note: C1, Controlled irrigation; C2, Normal irrigation; N1, Low nitrogen; N2, Medium nitrogen; N3, High nitrogen; F, Flooding irrigation; D, Drainage; a, b and c indicates the degree of significant difference; Significant differences were indicated by the asterisks determined by PERM ANOVA(* P < 0.05, ** P < 0.01, *** P < 0.001). The same below. 图 1 控制灌溉(a)和常规灌溉(b)条件下CH4排放通量及CH4累计排放量(c) Fig. 1 CH4 Emission fluxes under controlled irrigation(a), normal irrigation(b)condition and cumulative CH4 emissions(c)

与CH4的排放通量类似,N2O的排放与施氮量的变化趋势一致(图 2)。在常规灌溉下,7月10日蘖肥施用后N2O的排放通量并无显著变化,随后由淹水灌溉转变为中期晒田,N2O的排放通量迅速上升,后期随着水稻孕穗期再次淹水灌溉和土壤湿度上升,N2O的排放通量也呈现下降趋势,此后N2O排放通量一直维持在较低的水平(图 2a);控制灌溉的N2O排放通量在水稻分蘖期灌溉前的变化趋势与常规灌溉相同,但随着的第二次追肥,N2O排放通量迅速出现了一个高峰(图 2b)。由此可知在常规灌溉下,N2O的排放是由中期晒田导致的;而在控制灌溉中,随着追肥的施用N2O的排放通量迅速增加,表明在控制灌溉条件下氮肥施用可以激发N2O排放。

图 2 控制灌溉(a)和常规灌溉(b)条件下N2O排放通量及N2O累计排放量(c) Fig. 2 N2O Emission fluxes under controlled irrigation(a)and normal irrigation(b)condition and cumulative N2O emissions(c)

图 2可以看出,控制灌溉下三种不同施氮水平的N2O排放峰值分别为:0.20 mg·m–2·h–1、0.22 mg·m–2·h–1和0.23 mg·m–2·h–1,较常规灌溉下的N2O排放峰值分别降低了29.59%、28.23%和30.32%。控制灌溉下的N2O累计排放量分别为0.99 kg·hm–2、1.07 kg·hm–2和1.11 kg·hm–2,较常规灌溉下的N2O累计排放量分别降低了22.00%、23.55%和25.03%(图 2c)。由表 2可知,水氮互作对于N2O累计排放量影响显著,常规灌溉和控制灌溉下的N2O累计排放量分别为1.38 kg·hm–2和1.06 kg·hm–2,表明控制灌溉能够有效减少N2O的排放。此外,各灌溉条件下N2O的排放总量均呈现N3、N2、N1逐渐降低的趋势,可见降低施氮量可有效减少N2O的排放。

表 2 两种灌溉模式和三种施氮水平下稻田CO2、CH4和N2O的累计排放量及增温潜势 Table 2 Global warming potentials and cumulative emission of CO2, CH4 and N2O emissions from tested soil under two irrigation modes and three nitrogen application rates

图 3所示,CO2排放通量不受追肥的影响,随着水稻的生长而逐渐增加,CO2排放通量在8月底和9月初达排放高峰,其排放通量在52.80 mg·m–2·h–1~0.10 g·m–2·h–1之间。水肥管理对CO2排放峰值的影响表现为:C2N2 > C1N2 > C1N3 > C2N3 > C1N1 > C2N1。表 2可知,中氮和高氮处理的CO2排放总量分别为867.7和869.3 kg·hm–2,差异不显著,但低氮处理的CO2排放总量为812.2 kg·hm–2,较中氮和高氮处理降幅分别为6.40%和6.57%,可见低氮处理可显著减少CO2排放量(图 3c);常规灌溉下CO2的排放总量0.82 t·hm–2,而控制灌溉下CO2排放总量为0.88 t·hm–2,控制灌溉下稻田CO2排放总量显著高于常规灌溉。相对于常规灌溉下三个施氮水平的CO2排放总量,控制灌溉下低氮、中氮和高氮处理的CO2排放总量分别增加了6.13%、6.93%和8.58%。这些结果表明水分是影响土壤CO2排放量的主要因素,控制灌溉下增加施氮处理会显著增加CO2排放总量。

图 3 控制灌溉(a)和常规灌溉(b)条件下CO2排放通量及CO2累计排放量(c) Fig. 3 CO2 Emission fluxes under controlled irrigation(a)and normal irrigation(b)condition and cumulative CO2 emissions(c)
2.2 CH4和N2O的全球增温潜势

稻田温室气体(CH4及N2O)的排放对全球变暖起到重要作用,CH4和N2O的GWP如表 2所示:在低氮处理下CH4的GWP贡献高于N2O;在中氮和高氮处理下CH4的GWP贡献低于N2O,且未随施氮处理的增加而产生明显变化,CH4的GWP仅在N1处理下表现出差异,而N2O的GWP随着施氮量的增加增长显著。水氮互作对于CH4和N2O的GWP影响极其显著,控制灌溉下稻田GWP的主要贡献来源于N2O,而常规灌溉下CH4与N2O对GWP的贡献一致。控制灌溉能够显著减少稻田的GWP,不同施氮处理下稻田GWP关系为:N1 > N3 > N2,控制灌溉和中氮处理能够显著减少稻田温室气体的增温潜势。

2.3 氮肥水平和灌溉模式对稻田土壤理化性质的影响

表 3看出,灌溉方式和施氮水平对pH和土壤有机质含量均无显著影响。硝态氮及全氮的变化趋势与施氮量的差异表现一致,较高的施氮量导致土壤中硝态氮、铵态氮和全氮积累量增多。控制灌溉条件下,随着施氮量的增加,土壤硝态氮含量在N1、N2、N3施氮处理下分别为7.20 mg·kg–1、7.10 mg∙kg–1和7.89 mg∙kg–1,无显著差别;常规灌溉下,土壤硝态氮含量在N1、N2、N3施氮处理下分别为6.71 mg∙kg–1、7.54 mg∙kg–1和7.97 mg∙kg–1,仅在N1和N3施氮处理下表现出差异。铵态氮的含量仅在控制灌溉下N3与N1施氮处理表现出显著差异,常规灌溉下N1、N2和N3的铵态氮含量无显著差异。

表 3 不同灌溉模式和施氮量对稻田土壤理化性质的影响 Table 3 Effects of different irrigation modes and nitrogen application rates on physicochemical properties of paddy soil

全氮含量随施氮量的增加变化显著,控制灌溉与常规灌溉仅在N1处理下对全氮含量表现出差异,C1N1与C1N2处理下的全氮含量分别为1.24 g∙kg–1和1.18 g∙kg–1。随着施氮量增加,全氮含量分别增加至N2处理的1.33 g∙kg–1、1.60 g∙kg–1和N3处理的1.38 g∙kg–1和1.59 g∙kg–1。控制灌溉下N3处理的硝态氮和铵态氮与其他施氮处理均有显著差异,而常规灌溉中N3与N1施氮水平对土壤硝态氮产生显著影响。

2.4 各指标之间的相关性

各指标之间的斯皮尔曼相关性分析结果如表 4所示,CO2累计排放量与铵态氮、全氮之间均存在显著正相关(P < 0.05),相关系数分别达到0.401和0.426,这说明随着氮肥使用量增加,土壤中铵态氮和全氮一同增加,同时也提高了稻田CO2排放量;稻田CH4累计排放量与N2O累计排放量及CO2的排放量之间均呈极显著负相关(P < 0.01),相关系数分别为–0.600和–0.860,相关性分析结果表明CH4累计排放量与N2O累计排放量及稻田CO2排放量存在消长关系。而pH、有机质与其他指标之间关系不显著。

表 4 温室气体与土壤理化性质的相关系数 Table 4 Correlation coefficient between greenhouse gases and soil physicochemical properties
3 讨论

水肥管理对水稻土温室气体排放和土壤理化性质的影响既是相互促进,又是相互制约的,但其相互作用的效果还未明确。过去水肥对水稻温室气体和土壤理化性质影响的相关研究,多集中于水肥因素对水稻产量和肥料利用方面,农田水肥耦合效应对温室气体排放和土壤理化性质的研究不多,缺少综合性和长时间的水氮互作影响试验研究。

3.1 水分管理对稻田温室气体排放的影响

本研究从水分管理和施氮水平的角度探讨其对温室气体和土壤理化性质的影响,结果表明控制灌溉较常规灌溉下的CH4排放总量降低43.12%(图 1)。王孟雪和张忠学[17]的长期定位试验表明,间歇灌溉下的CH4累计排放减少48.20%,与本试验研究结果一致。CH4排放主要集中于生育初期与分蘖盛期等需水阶段,占整个稻田CH4排放量的67.29%~75.17%(图 1),这是由于水稻生育初期和分蘖盛期处于温度较高的环境,有利于产甲烷菌的新陈代谢,而分蘖后期的排水是导致稻田CH4排放通量降低的主要原因[18]。与常规灌溉相比,控制灌溉促进了根系发育、增加了根系分泌物,提高了根际土壤氧化还原电位,抑制CH4的产生[19]

N2O排放通量表现与CH4类似,主要集中在生育初期和分蘖盛期,控制灌溉下N2O排放量明显低于常规灌溉(图 2),这与以往的试验结果相差较大。一般认为N2O和CH4排放之间存在着互为消长关系,通常控制灌溉下N2O的排放量要高于常规灌溉[20],但也有部分试验结果显示节水灌溉模式能够降低N2O的排放量[21]。除了影响土壤N2O排放的反硝化微生物生态位分异受到土壤酸碱度影响较大外,温度也极大地影响了N2O的排放[22]。由于温度和土壤pH在区域分布上差异较大,因此稻田N2O的排放也存在一定的地域特殊性。

CO2主要来源于土壤中生物的新陈代谢,由于不同灌溉方式下的土壤通气状况不同,造成土壤中的溶解氧及其在土壤孔隙中的扩散速率产生差异,进而导致CO2排放存在差异[23]。常规灌溉多采用漫灌,而漫灌条件下土壤O2扩散受到限制,土壤生物和根系活动减弱[24]。水稻生育前期和分蘖盛期较水稻其他生育期,除了土壤中水分含量较高以外,环境温度也较适宜,CO2排放与土壤温度呈现显著的正相关。本试验中同一施氮水平下,控制灌溉CO2的排放显著高于常规灌溉(图 3),这可能因为控制灌溉条件下土壤中的溶解氧含量较高,有利于好氧微生物生长和繁殖,从而引起土壤的呼吸强度增加所致。

与常规灌溉相比,控制灌溉方式对稻田土壤的全球净增温潜势(GWP)平均降低了32.93%(表 2),这与成臣等[12]的研究结果接近。一般认为灌溉是导致GWP主要贡献气体产生差异的主要原因,常规灌溉下稻田长期处于厌氧环境。而农田CH4来源于产甲烷菌,在适宜的温度下,随着氮肥的施用量增加,植物根系日益发达,根系分泌物和脱落物增加,土壤可溶性有机物含量增高,它们可作为产甲烷菌良好的生长底物,进而导致了CH4排放量增加[25]。而控制灌溉下稻田处于有氧环境,加速了微生物对土壤有机质的CH4转化[26]

3.2 氮肥施用对稻田温室气体排放的影响

氮肥在保障高产优质水稻的同时,也影响着农田温室气体的排放。但过量施肥导致肥料利用率低下,致使土壤污染加重,硝态氮淋溶增强,对周围环境造成极大威胁。而施氮处理对稻田GWP的影响表现为:N1、N3、N2处理下GWP逐渐下降(表 2),低施氮处理下CH4是稻田GWP的主要贡献来源,在中高氮处理下稻田GWP的主要贡献来源转变为N2O。本试验同一灌溉处理下,随着施氮量的增加CH4排放总量相对减少(图 1),这可能是稻麦轮作制度中前茬作物的氮肥残留较高,而高施氮量会产生过多的NH4+-N,提高了甲烷氧化菌的活性[27],导致CH4排放总量下降。N2O排放总量与施氮量呈现明显正相关,虽然低氮和中氮处理下CO2排放总量并无显著差异,但高氮处理下CO2的排放总量显著高于其他处理。马艳芹等[11]研究表明,在常规施氮、减氮40%和不施氮肥的条件下,N2O和CO2的排放总量无显著差异,但随着氮肥施用量的再提高,N2O和CO2的排放总量出现明显差异。一般认为,N2O排放是反硝化微生物作用的结果,进一步研究表明,多余的氮肥不能被水稻吸收利用,其水解的NH4+直接参与了硝化反应,其产物NO3是反硝化微生物催化底物,可造成N2O的快速生成[11]。而干湿交替的控制灌溉可以提升高氮处理下水稻氮肥的农业利用率和生理利用率,从而减少N2O排放。

3.3 水氮互作对稻田土壤理化性质的影响

与常规灌溉相比,控制灌溉可提高高氮处理下的土壤铵态氮含量,且随着氮肥施用量的增加,土壤硝态氮、铵态氮和全氮均维持在较高水平(表 3),这与周纪东等[28]的研究结果一致。土壤pH受硝化作用的影响,硝化作用产生的H+与土壤胶体表面其他离子产生置换反应,聚集的H+使土壤pH降低[29]。一般认为土壤硝态氮、铵态氮和全氮的含量随施氮量的升高而提高,但不同的水分管理模式对其影响明显不同。田广丽等[30]研究表明随着控制灌溉转为正常灌溉后耕作层土壤铵态氮含量有提升,但无显著差异;而其他研究表明,干湿交替的节水灌溉模式则会显著降低土壤铵态氮含量[31]。相关性分析结果显示,CO2的累计排放与全氮、铵态氮之间均存在显著正相关,过去的研究同样表明土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳和全氮有极显著正相关[32],因此,全氮、铵态氮一方面促进了土壤微生物生物量,另一方面铵态氮更能激发土壤中有机质的分解,CO2的累计排放随之增加;相关性分析结果显示CH4和N2O及CO2排放量之间存在极显著负相关,当稻田处于氧化环境中,土壤微生物有氧代谢量增加,此外稻田中的甲烷氧化菌增加,部分CH4在排放过程中被氧化为CO2排放入大气。CH4与N2O的生成环境不同,淹水条件下稻田土壤中的NH4+会抑制甲烷氧化菌和硝化细菌氨单加氧酶的活性,从而使得CH4排放量增加,N2O排放量减少[33]

本研究基于长期定位试验小区,较为系统地研究了水稻不同生育期温室气体排放量的动态变化,表明通过减少一定的氮肥施用量配合节水灌溉,能够有效减少农业源温室气体CH4和N2O的排放量。

4 结论

控制灌溉能够明显降低CH4和N2O排放总量,增加CO2排放总量;氮肥对温室气体排放量的影响随肥料用量、温室气体种类不同而变化,即低量氮肥施用条件下CH4是主要的温室气体,而N2O排放总量随氮肥施用量增加而增加,低量氮施用条件下CO2排放总量显著减少。总体而言,温室气体总体增温潜势在控制灌溉和中量氮肥施用条件下明显减少,因此,控制灌溉配合氮肥减施是降低稻田源温室气体的有效方式,有利于缓解农业面源污染带来的环境风险,对于促进农业可持续发展具有重要意义。

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