爐渣與生物炭對福州稻田土壤溫室氣體產生的影響

藍 妮， 王 純， 王維奇，b

(福建師范大學 a.地理研究所;b.生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，福建福州 350007)

0 引言

由于對全球氣候變暖的日益關注，有關稻田溫室氣體排放在調節(jié)中所起的作用研究不斷增加。甲烷和氧化亞氮的單分子增溫潛勢分別為二氧化碳的25和298倍［1］，是重要的溫室氣體類型。隨著世界人口的不斷增加，糧食的需求量將逐年升高，其中，對供給世界60%以上人口的主要糧食稻米需求更為迫切［2］，隨之而來的稻田甲烷與氧化亞氮排放量也將迅速增加，這將會加速全球氣候變暖。因此，協(xié)調糧食生產需求與溫室氣體排放增加的矛盾，實現(xiàn)糧食供給量的提高與溫室氣體減排同步進行，意義重大［3］。

爐渣與生物炭可改良稻田土壤并增加水稻產量，使其在稻田溫室氣體減排中的應用得到國際學者們的廣泛關注［4-5］。目前，關于爐渣與生物炭對稻田甲烷與氧化亞氮排放的影響研究都是獨立開展的，現(xiàn)有的獨立研究結果顯示，爐渣在日本、韓國的溫帶地區(qū)、中國的亞熱帶地區(qū)均可減少稻田的甲烷排放，這與爐渣中含有異化鐵抑制甲烷產生有關［6-8］，但對于氧化亞氮的影響則尚無定論，有研究指出爐渣施加對稻田氧化亞氮排放的影響并不顯著［8］，更有研究指出爐渣的施加增加了稻田氧化亞氮排放［6］。然而生物炭對稻田甲烷和氧化亞氮的影響研究結論恰恰相反，對于生物炭對氧化亞氮的影響，無論是在德國的農田土壤、美國北部的草原、農田(燕麥、大豆、玉米)、森林以及垃圾場覆蓋土壤，還是中國的稻田、菜地均得出了一致的結論，即生物炭施加可以有效的減少氧化亞氮排放［3，9-13］，對于甲烷排放的影響則沒有定論，相關研究主要是集中在我國中亞熱帶開展，僅有的研究結果表明，在中國江蘇的水稻田，生物炭的施加增加了稻田甲烷排放［13-14］，同樣是在中國江蘇水稻田的研究，生物炭的施加減少了甲烷排放［15］，主要是通過增強甲烷氧化菌活性而實現(xiàn)的，在對中國江西水稻田的研究也得出了一致的結論［16］。然而兩種物質的混合施加對稻田甲烷和氧化亞氮的影響研究尚未見報道，對于這一科學問題的深入探討，突顯其重要的理論與實踐價值。

基于此，本研究選擇福建省水稻研究所吳鳳綜合實驗站為研究樣點，開展爐渣與生物炭添加對稻田甲烷與氧化亞氮產生的影響研究，可為篩選福建稻田合適的溫室氣體減排策略提供參考，也可填補國際上在該領域研究的不足。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與采樣點

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，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫為19.6℃，年均降水量為1 392.5 mm，蒸發(fā)量為1 413.7 mm，相對濕度為77.6%，地貌主要為沖海積平原，地表平坦，海拔3～5 m，零星分布剝蝕丘陵地貌［17］。實驗區(qū)位于福建省水稻研究所吳鳳綜合試驗基地(26.1°N，119.3°E)內［18］，該試驗基地共有稻田 7 hm2［19］。土壤耕作層有機碳含量 18.11 g/kg、全氮 1.28 g/kg、全磷1.07 g/kg。實驗區(qū)內主要實行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度。

1.2 土壤樣品的采集與添加物制備

2012年7月，在福建省農科院吳鳳綜合實驗區(qū)選擇相對平整的稻田，隨機選取3個重復采樣點，采集0～15 cm土壤，將采回的鮮土風干并研磨(挑除比較大的根物質與雜質)，過100目篩，將土壤樣品充分混合均勻，待實驗備用。

生物炭制備是在350℃下經O-KTF1200管式爐(江蘇宜興市前錦爐業(yè))燒制而成，爐渣、水稻秸稈、生物炭粉碎過1 mm孔篩。添加物中秸稈、生物碳、爐渣的總碳含量分別為 317.10、402.57、6.19 g/kg，總氮含量分別為11.79、13.38、10.33 g/kg，速效磷含量分別為 2.27、3.77、0.07 g/kg。

1.3 實驗設計

1.3.1 甲烷與氧化亞氮的產生潛力

稱取相當于烘干土重10 g的風干土放入120 mL的培養(yǎng)瓶，再分別加入爐渣、秸稈、生物炭及爐渣與生物炭混合物，添加物為2%的土壤重量［20-21］，并設置對照，加入蒸餾水使培養(yǎng)瓶內土水比為1∶2，晃動培養(yǎng)瓶使土壤成泥漿狀，每個培養(yǎng)樣品設置3個重復，共5個處理。用硅橡膠塞塞住瓶口，瓶塞周圍以704膠密封，在塞住瓶口的硅橡膠塞的兩邊打兩個孔，插入玻璃管，一根較長，插入泥漿中，作為N2進口;另一根較短，稍稍插入培養(yǎng)瓶即可，作為N2出口和氣體取樣口。每次測定CH4和N2O產生潛力時，通過N2進口用高純N2以300 ml/min的流速沖洗3 min，造成充分的厭氧培養(yǎng)條件，將培養(yǎng)瓶放入28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別在第 1、3、7、14、21、28、35、42、49、56 d 測定甲烷與氧化亞氮產生潛力，甲烷與氧化亞氮產生潛力通過分析密閉培養(yǎng)一定時間后培養(yǎng)瓶內氣相甲烷與氧化亞氮濃度的變化求得［22］。

1.3.2 氣樣分析

甲烷和氧化亞氮氣體濃度分別由兩臺日本島津公司生產的GC-2014氣相色譜儀測定。甲烷測定檢測器為FID(氫離子火焰化檢測器)，檢測條件為柱溫70℃，檢測器溫度200℃，載氣流速30 mL/min;氧化亞氮測定檢測器為電子捕獲檢測器，檢測條件為柱溫70℃，檢測器溫度320 ℃，載氣流速30 mL/min［23］。

甲烷和氧化亞氮產生潛力計算公式為:式中:P為氣體產生潛力 (μg/(g·d));dc/dt為培養(yǎng)箱內氣相氣體濃度單位時間變化(μmol/(mol·d));VH為培養(yǎng)瓶內上部空間體積(L);Ws為干土質量(g);MW為氣體的相對分子質量(g);MV為標準狀態(tài)下氣體摩爾體積(22.4 L/mol);T為培養(yǎng)瓶內溫度(K)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件對測定數(shù)據(jù)進行整理。原始數(shù)據(jù)的平均值及標準差的計算采用Excel 2003，采用SPSS 13.0 中One—Way ANOVA對不同處理甲烷和氧化亞氮產生、累積與綜合增溫潛勢的差異性進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 爐渣與生物炭添加對稻田甲烷產生潛力的影響

整個觀測期內，對照、爐渣、生物炭、生物炭+爐渣處理表現(xiàn)為土壤甲烷產生潛力隨著培養(yǎng)時間的增加而不斷降低，但秸稈添加處理表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。對照處理甲烷產生潛力最大值出現(xiàn)在第3 d(0.0229 μg/(g·d))，最小值出現(xiàn)在第 35 d(0.0017 μg/(g·d));爐渣處理甲烷產生潛力最大值出現(xiàn)在第1 d(0.013 9 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第 35 d(0.001 4 μg/(g·d));秸稈處理甲烷產生潛力最大值出現(xiàn)在第14 d(8.778 9 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第1 d(0.069 4 μg/(g·d));生物炭處理甲烷產生潛力最大值出現(xiàn)在第1 d(0.022 5 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第49 d(0.002 6 μg/(g·d));爐渣 +生物炭處理甲烷產生潛力最大值出現(xiàn)在第1 d(0.022 9 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第 42 d(0.001 8 μg/(g·d))。

對照、爐渣、秸稈、生物炭及爐渣+生物炭處理下的稻田土壤甲烷產生潛力依次為0.001 7～0.022 9、0.001 4 ～ 0.013 9、0.069 4 ～ 8.778 9、0.002 5 ～0.022 5、0.001 8 ～0.022 9 μg/(g·d)，平均產生潛力分別為 0.007 1、0.004 9、1.505 1、0.079 0、0.080 0 μg/(g·d)，甲烷產生潛力表現(xiàn)為:秸稈＞爐渣+生物炭＞生物炭＞對照＞爐渣，爐渣的添加顯著降低了甲烷的產生潛力(P＜0.05)，約減少了31%，而其他處理并未減少稻田土壤甲烷產生(見圖1)。

2.2 爐渣與生物炭添加對稻田氧化亞氮產生潛力的影響

圖1 土壤甲烷產生潛力

整個觀測期內，爐渣、秸稈處理表現(xiàn)為土壤氧化亞氮產生潛力隨著培養(yǎng)時間的增加而不斷降低，但對照、生物炭、爐渣+生物炭添加處理則表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。對照處理氧化亞氮產生潛力最大值出現(xiàn)在第1 d(0.021 6 μg/(g·d))，最小值出現(xiàn)在第 56 d(0.000 1 μg/(g·d));爐渣處理氧化亞氮產生潛力最大值出現(xiàn)在第1 d(0.010 4 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第56 d(0.000 1 μg/(g·d));秸稈處理氧化亞氮產生潛力最大值出現(xiàn)在第1 d(0.006 9 μg/(g·d))，最小值在第56 d(0.000 1 μg/(g·d));生物炭處理氧化亞氮產生潛力最大值出現(xiàn)在第28 d(0.010 9 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第 49 d(0.000 1 μg/(g·d));爐渣+生物炭處理氧化亞氮產生潛力最大值出現(xiàn)在第28 d(0.018 5 μg/(g·d))，最小值則出現(xiàn)在第 56 d(0.000 1 μg/(g·d))。

對照、爐渣、秸稈、生物炭及爐渣+生物炭處理下的稻田土壤氧化亞氮產生潛力分別是0.000 1～0.021 6、0.000 1 ～0.104、0.000 1 ～0.006 9、0.000 1 ～0.109、0.000 1 ～0.018 4 μg/(g·d)，平均產生潛力分別為 0.003 5、0.001 6、0.001 1、0.002 1、0.002 9 μg/(g·d)，氧化亞氮產生潛力表現(xiàn)為對照＞爐渣+生物炭＞生物炭＞爐渣＞秸稈，爐渣+生物炭、生物炭、爐渣、秸稈處理氧化亞氮產生潛力分別減少了17%、40%、54%和69%，其中，生物炭、爐渣、秸稈處理氧化亞氮產生潛力與對照存在顯著差異(P＜0.05)，見圖2。

圖2 土壤氧化亞氮產生潛力

2.3 爐渣與生物炭添加對稻田甲烷和氧化亞氮綜合溫室效應的影響

為了更好地評價爐渣與生物炭添加對稻田溫室效應的影響，運用溫室效應潛勢綜合估算甲烷和氧化亞氮兩種溫室氣體對大氣的潛在增溫效應，以進一步闡明爐渣與生物炭添加對稻田溫室效應是促進還是抑制。以二氧化碳為參照氣體，100 a時間尺度的綜合溫室效應計算公式［1］為:

式中:PGW為綜合增溫潛勢值(μg CO2-eq g－1);RN2O為觀測期(56 d)的氧化亞氮累積釋放量(μg/g)，RCH4為為觀測期(56 d)的甲烷累積釋放量(μg/g)。

表3為5個不同處理下稻田土壤在觀測期內甲烷和氧化亞氮累積釋放量及其溫室效應。從表3可以看出，秸稈、爐渣+生物炭處理甲烷是稻田溫室效應主要貢獻者，對照、爐渣和生物炭處理則以氧化亞氮是其溫室效應的主要貢獻者。爐渣處理下的甲烷累積釋放量和溫室效應與對照相比顯著降低(P＜0.05)，比對照處理低 1.27 μg/g 和 31.94 μg CO2-eq g－1;爐渣、秸稈、生物炭處理下的氧化亞氮累積釋放量和溫室效應與對照相比顯著降低(P＜0.05)，分別比對照處理低1.07 μg/g 和 318.34 μg CO2-eq g－1、1.33 μg/g 和394.58 μg CO2-eq g－1、0.79 μg/g 和 233.70 μg CO2-eq g－1。從綜合溫室效應來看，爐渣、生物炭炭處理綜合溫室效應與對照相比顯著降低(P＜0.05)，分別減少了51%和32%。

表3 不同處理方式下稻田甲烷和氧化亞氮的累積釋放量及其溫室效應

3 討論

3.1 爐渣與生物炭添加對稻田甲烷產生潛力的影響

對照、爐渣、生物炭、爐渣+生物炭處理表現(xiàn)為土壤甲烷產生潛力隨著培養(yǎng)時間的增加而不斷降低，主要是因為隨著培養(yǎng)時間的變化，土壤甲烷產生底物逐漸減少，稻田甲烷產生潛力逐漸降低有關［24］。秸稈添加處理表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，這可能與秸稈添加后逐漸分解為土壤產甲烷菌提供了豐富的產甲烷基質在初期促進了甲烷產生［25］，但隨后隨著分解過程中碳輸入的減少，甲烷產生潛力也逐漸降低。

本研究中，僅表現(xiàn)為爐渣施加能顯著抑制甲烷的產生，這與其他研究指出的爐渣能有效抑制甲烷的產生相符合［6-8，26-27］。本實驗選用的爐渣中，F(xiàn)e2O3的含量為4.8%，可能主要是基于其中富含電子受體中貢獻較大的Fe3+，相當于增加了土壤中的電子受體含量，這將會抑制甲烷的產生，主要是基于:①鐵電子受體將底物的濃度降低到甲烷產生菌不能利用的程度［28］;②鐵電子受體將氧化還原電位提高到了超過甲烷產生菌的適應范圍［29-30］;③鐵電子受體對甲烷產生菌的毒害作用［31］;④鐵電子受體的還原菌組群與產甲烷菌競爭乙酸和電子供體［32］，即通過其相應的還原菌與甲烷產生菌之間競爭底物，提高環(huán)境中的氧化還原電位和毒害作用，從而抑制甲烷產生微生物的活性來完成。此外，新近的研究表明，鐵可作為電子受體在厭氧環(huán)境下以甲烷作為電子受體，發(fā)生還原作用［33］，這與本實驗Fe3+可能由于發(fā)生還原反應從而增加了Fe2+說明還原作用較強相符合。與此同時，爐渣是堿性物質，添加后可增加土壤中的pH，甲烷產生菌最適生境為中性環(huán)境，爐渣施加后較高的pH降低了產甲烷菌活性進而影響著甲烷產生［27］。

3.2 爐渣與生物炭添加對稻田氧化亞氮產生潛力的影響

爐渣、秸稈處理表現(xiàn)為土壤氧化亞氮產生潛力隨著培養(yǎng)時間的增加而不斷降低，但對照、生物炭、爐渣+生物炭添加處理則表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，隨著底物的減少，各處理氧化亞氮產生潛力降低。

本研究結果表明，爐渣的施加抑制了氧化亞氮的產生，這與其他研究相符合，且認為爐渣施加后pH增高是導致氧化亞氮產生降低的主要原因之一，較高的pH會導致硝化菌和反硝化菌難以生存或活性較低，土壤中硝化作用、反硝化作用及生物轉化過程降低，從而抑制了稻田氧化亞氮的產生。生物炭同樣可以抑制氧化亞氮的產生，可能是由于生物炭具有較大的比表面積，較強的的吸附作用，吸附氣體分子、有機質和氮源等;秸稈處理下抑制了氧化亞氮的產生，可能是由于與秸稈的施加，提高了土壤的C/N比值，而微生物對土壤中C、N的利用有一定的比例范圍，一旦C/N比值變大，勢必引起微生物對N源的爭奪利用，N素利用就比較充分，同時也減少了硝化、反硝化過程的中間產物 N2O 的生成［34］。

4 結論

(1)對于福州稻田土壤而言，在整個培養(yǎng)周期內，爐渣的添加可顯著抑制甲烷的產生潛力，并降低其溫室效應;

(2)生物炭、爐渣以及秸稈均能明顯的抑制福州稻田土壤的氧化亞氮產生潛力，并降低其溫室效應;

(3)從外源物質添加對福州稻田土壤溫室氣體產生潛力的綜合效應來看，與對照相比，爐渣、生物炭的添加均顯著的降低了稻田溫室氣體綜合增溫潛勢。

結合本研究的研究結果，我們發(fā)現(xiàn)，爐渣單獨添加可有效降低稻田土壤溫室氣體產生的綜合增溫潛勢，生物炭與其制備原材料秸稈相比，具有較強的降低稻田土壤溫室氣體產生的綜合溫室效應的作用，但爐渣與生物炭混合添加的處理中，則并未顯著減緩稻田土壤溫室氣體產生的綜合溫室效應。因此，在今后稻田管理中，不同添加物作為稻田溫室氣體減排劑的使用需慎重考慮。

致謝:本研究在野外采樣和室內分析過程中得到福建師范大學地理科學學院楊柳明老師、彭園珍老師以及潘婷、曾冬萍、張禮宏等同學的幫助，在此一并表示感謝。

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