鐵爐渣對稻田土壤甲烷傳輸釋放的影響研究

王 純，王維奇，2，李鵬飛

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

生物源的甲烷排放可達到全球甲烷總排放量的70%，其中稻田是甲烷排放的主要人為源，其貢獻率約為全球人為甲烷排放源的26%［1］。世界上一半以上的人口以稻米作為食物，隨著人口的增加，水稻生產(chǎn)將不斷擴大。據(jù)報道，水稻生產(chǎn)將從1990年的4.73×108t增加到2020年的7.81×108t［2］，相應(yīng)的甲烷排放量將增加40%～50%［3］，這將加速全球變暖。因此，解決稻田甲烷排放增加與水稻生長擴大之間的矛盾意義重大。

電子受體可以通過抑制產(chǎn)甲烷菌的活性、與產(chǎn)甲烷菌競爭底物以及提高產(chǎn)甲烷生境的氧化還原電位等途徑調(diào)節(jié)產(chǎn)甲烷過程，但相關(guān)研究甚少［4］。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［5］。鐵爐渣作為鋼鐵工業(yè)的廢棄物，含有豐富的鐵受體。Ali等［6－7］在韓國開展的實驗表明，鐵爐渣可使稻田甲烷排放減排16%～20%，與此同時，稻谷產(chǎn)量提高了13%～18%，但關(guān)于其施加后對稻田甲烷傳輸釋放途徑的影響研究尚未見報道?；诖?，本研究開展了鐵爐渣施加對稻田甲烷傳輸釋放的影響研究，以期從機制上解釋鐵爐渣施加控制稻田甲烷排放的關(guān)鍵過程。

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(fēng)氣候，年均氣溫為19.6℃，年均降水量為1 392.5mm，蒸發(fā)量為1 413.7mm，相對濕度為77.6%，地貌主要為沖積平原，地表平坦，海拔3～5m，零星分布剝蝕丘陵地貌［8］。實驗區(qū)（圖1）位于福建省農(nóng)科院水稻所吳鳳綜合實驗基地（26.1°N，119.3°E）內(nèi)［9］，該實驗基地共有稻田7hm2［10］。土壤耕作層有機碳含量為18.11g／kg，全氮1.28g／kg，全磷1.07g／kg。實驗區(qū)內(nèi)主要實行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度，本實驗點的前茬作物為花菜，實驗前對翻耕后的田地進行人工整平，以保持土壤的均一性。實驗始于2011年4月中旬，至同年7月中旬收獲結(jié)束。實驗稻田為早稻田，水稻栽培品種為江西省農(nóng)科院研發(fā)的和盛10號，4月16日機插移栽，機插采用春苗插秧機，株行距14cm×28cm，施用底肥為復(fù)合肥和尿素，復(fù)合肥中N、P2O5、K2O分別為kg／hm2，尿素 N為25kg／hm2；蘗肥在約1周后施加，復(fù)合肥中 N、P2O5、K2O分別為20kg／hm2，尿素 N 為15kg／hm2；穗肥約在8周后施加，復(fù)合肥中 N、P2O5分別為10kg／ha2，尿素 N 為8kg／hm2。水稻生長期基本處于淹水狀態(tài)，水深約5～7cm，水稻成熟時曬田。

圖1 采樣點位置圖

在實驗區(qū)選擇相對平整的稻田，設(shè)置：對照樣地（不加鐵爐渣）、2Mg／hm2、4Mg／hm2和8Mg／hm2的鐵爐渣施加樣地，并在水稻移栽前將鐵爐渣施加到實驗田里。每個處理樣地長和寬為4m×3m，并用PVC板隔離，防止實驗田間水體、物質(zhì)互相流通交換。各處理設(shè)置3個重復(fù)，每個靜態(tài)箱底座里應(yīng)包含有2株植物體長勢相似的水稻苗，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性。在測定過程中，為了減少人為干擾，實驗均在人工搭設(shè)的棧橋上進行。

1.2 氣體采集與分析方法

采用靜態(tài)箱法——氣相色譜法對稻田甲烷傳輸釋放進行測定。靜態(tài)箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長寬高分別為0.3m×0.3m×1.0m（頂端安裝有小風(fēng)扇并具溫度計插孔），側(cè)面有抽氣孔；底座長寬高分別為0.3m×0.3m×0.3m（具凹槽），并在整個生長期固定在樣地內(nèi)。采樣時間一般選在09：00—13：00，參照王明星等［11］甲烷傳輸?shù)臏y定方法，對甲烷氣泡傳輸、擴散傳輸和植物體傳輸釋放甲烷通量進行測定。甲烷通量的測定采用靜態(tài)箱法直接測定，蓋上頂箱后立刻用100 mL注射器抽取甲烷氣體70mL，并打入氣袋內(nèi)，后每隔15min再抽取1次樣品，共抽取3次，在抽氣過程中保持勻速，同時在底座凹槽內(nèi)加水密封，防止靜態(tài)箱內(nèi)甲烷氣體外泄，甲烷傳輸釋放實驗為15天測定1次，同步采用孔隙水采樣器采集稻田孔隙水。

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）進行分析。甲烷檢測器為FID，色譜柱為5A分子篩，進樣口溫度為60℃，檢測器溫度為200℃，柱箱溫度為80℃，載氣為高純氦氣，流速為30 mL／min，用中國計量科學(xué)研究院生產(chǎn)的CH4標氣進行校準。通過標準氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體的濃度。氣體通量Q的計算公式為

其中：Q為甲烷傳輸釋放通量（mg／（m2·h））；M為每摩爾甲烷的質(zhì)量（g）；V為標準狀態(tài)下1摩爾甲烷氣體的體積（L）；H為靜態(tài)箱高度；dc／dt為單位時間采氣箱內(nèi)甲烷氣體濃度的變化率（μmol／（mol·h））；θ為靜態(tài)箱內(nèi)溫度（℃）。

孔隙水中甲烷濃度c計算式［12］：

c／（μmol·L－1）＝ ［（ch×Vh）／22.4］／Vp

式中，ch為小瓶上部空間甲烷濃度（μL／L），Vh為小瓶上部空間體積（mL），Vp為小瓶里孔隙水體積（mL）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)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 ANONY對不同爐渣施加量比例下稻田甲烷傳輸釋放的差異性進行檢驗，顯著性水平P＜0.05表示呈顯著差異，P＜0.01表示間呈極顯著差異。

2 結(jié)果分析

2.1 鐵爐渣施加對稻田土壤孔隙水甲烷濃度的影響

稻田對照樣地和2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加樣地土壤孔隙水甲烷濃度分別為0.02～0.56、0.01～0.51、0.03～0.30、0.08～0.47μmol／L，平均值分別為0.29、0.21、0.16、0.23μmol／L，由此可見，鐵爐渣的施加降低了孔隙水甲烷濃度，對照樣地和2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加樣地土壤孔隙水甲烷濃度減少比例分別為27.6%、44.8%和20.7%，但并未表現(xiàn)為隨著鐵爐渣施加量的增加，甲烷濃度逐漸減小的趨勢。由于后期排干曬田，孔隙水很少，注射器無法抽到足夠量的孔隙水，所以實驗僅進行到第71天。從圖2中可以看出，隨著水稻的生長，土壤孔隙水中的甲烷濃度也在逐漸升高，鐵爐渣施加在水稻生長前期（1—29天）對孔隙水中甲烷濃度影響不太顯著，但從第43天開始，添加鐵爐渣的樣地中土壤孔隙水甲烷濃度明顯減少了。

圖2 稻田土壤孔隙水中甲烷濃度變化

2.2 鐵爐渣施加對稻田氣泡傳輸釋放甲烷的影響

稻田對照樣地和2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加樣地氣泡傳輸釋放甲烷分別為0.02～1.36、0.02～0.51、0.02～0.53、0.04～0.27Mg／hm2，平均值分別為0.63、0.21、0.16、0.17mg／（hm2），鐵爐渣添加后甲烷的氣泡傳輸量降低了，2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加樣地氣泡傳輸釋放甲烷減小比例分別為66.7%、74.6%、73.0%。從減小比例看，鐵爐渣的施加明顯降低了氣泡傳輸釋放甲烷量（P＜0.05）。從氣泡傳輸釋放甲烷的效率看，在水稻移栽初期和成熟期氣泡傳輸釋放甲烷效率較低，而在植株旺盛生長階段氣泡傳輸釋放甲烷效率相對較高（見圖3）。

圖3 稻田氣泡傳輸釋放甲烷變化

2.3 鐵爐渣施加對稻田擴散傳輸釋放甲烷的影響

稻田對照樣地和2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加樣地擴散傳輸釋放甲烷分別為0.01～0.21、0.01～0.22、0.01～0.17、0.01～0.22mg／（m2h），平均值分別為0.07、0.12、0.07、0.09mg／（m2h）?？梢婅F爐渣添加后甲烷的擴散傳輸量并未減少。從稻田擴散傳輸釋放甲烷來看，一直維持在較低的傳輸釋放水平，特別是在水稻移栽初期更低（圖見4）。

圖4 稻田擴散傳輸釋放甲烷變化

2.4 鐵爐渣施加對稻田植物體傳輸釋放甲烷的影響

稻田對照樣地和2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加后稻田植物體傳輸釋放甲烷分別為0.01～7.02、0.01～6.77、0.01～5.99、0.01～4.77mg／（m2h），平均值為3.47、2.89、2.27、1.87mg／（m2h），隨著爐渣添加量的增加而相應(yīng)減少，2、4、8Mg／hm2鐵爐渣施加樣地植物體傳輸釋放甲烷減小比例分別為16.8%、34.6%、46.1%。從減小比例看，鐵爐渣的施加明顯降低了植物體傳輸釋放甲烷量（P＜0.05）。從水稻移栽15天后進入快速分蘗期開始，4塊樣地的甲烷植物體傳輸開始出現(xiàn)明顯差異，一直到水稻成熟期，甲烷植物體傳輸量都是對照最高，到水稻收割后各處理植物體傳輸量均急劇降低（見圖5）。

圖5 稻田植物體傳輸釋放甲烷變化

3 結(jié)論與討論

孔隙水中的甲烷濃度代表了甲烷在土壤中的存量［13］，也是甲烷得以釋放的前提。在本研究中，鐵爐渣的施加降低了稻田孔隙水中的甲烷濃度，這可能與鐵爐渣施加后，因富含鐵類物質(zhì)降低了甲烷的產(chǎn)生量有關(guān)。鐵爐渣施加對氣泡傳輸釋放甲烷的影響表現(xiàn)為抑制作用，原因是鐵爐渣顆粒物質(zhì)的施加，相當于增加了吸附劑的數(shù)量，這些物質(zhì)在氣泡釋放到大氣之前被吸附，使得最終排放到大氣環(huán)境中的甲烷不斷降低。鐵爐渣施加后對稻田擴散傳輸釋放甲烷的影響不大，但對植物體傳輸釋放甲烷的影響最為明顯，隨著鐵爐渣施加量的增加，植物體傳輸釋放甲烷量不斷降低，這主要是因為鐵爐渣中含有鐵錳等物質(zhì)，在其施加后，增加了土壤中鐵錳物質(zhì)的含量，從而增強了水稻根系鐵錳結(jié)合的形成量，最終阻礙了氣體從土壤向植物體內(nèi)進入的通道，并最終導(dǎo)致了植物體甲烷傳輸釋放量的明顯降低。

另外，我們還探討了鐵爐渣施加后控制稻田甲烷傳輸釋放的關(guān)鍵過程（見圖6）。從圖6中可以看出，植物體傳輸釋放甲烷與鐵爐渣施加量的相關(guān)性較為密切，其次是氣泡傳輸釋放甲烷途徑，而擴散傳輸釋放甲烷與鐵爐渣施加并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。因此，可以初步得出這樣的結(jié)論：鐵爐渣施加控制稻田甲烷排放更重要的是通過調(diào)節(jié)植物體和氣泡傳輸釋放甲烷途徑實現(xiàn)的，但由于植物體傳輸釋放甲烷在甲烷排放中貢獻最大，因此其傳輸釋放甲烷量的降低也成為了鐵爐渣施加后稻田甲烷排放量降低的決定性過程。

圖6 鐵爐渣施加對稻田甲烷通量的影響

致謝：本研究在野外采樣和室內(nèi)樣品分析過程中得到了福建師范大學(xué)馬永躍、章文龍、何清華、張子川、楊平、張永勛同學(xué)的幫助，在此一并表示深深的感謝。

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