生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田甲烷排放的影響

肖亞楠，楊士紅,2，劉曉靜，徐俊增,2

(1河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 2100981；2河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

0 引 言

由溫室氣體導(dǎo)致的氣候變暖已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題。作為大氣中重要的溫室氣體之一，CH4對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于CO2，且其全球增溫潛勢(shì)是CO2的28倍[1]。大量研究表明大氣中的甲烷有近50%來(lái)自于農(nóng)業(yè)活動(dòng)[2]。稻田是大氣CH4的重要排放源[3-7]。中國(guó)作為水稻種植大國(guó)，水稻種植面積約占世界水稻種植總面積的20%，水稻產(chǎn)量則約占世界水稻總產(chǎn)量的31%[7]。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)中國(guó)稻田甲烷排放，并提出有效的減排措施具有重要意義。

生物炭是生物有機(jī)質(zhì)材料(作物秸稈、農(nóng)林廢棄物、生活垃圾、養(yǎng)殖業(yè)廢棄物等有機(jī)資源) 在缺氧或無(wú)氧條件下經(jīng)高溫裂解(一般<700 ℃)而產(chǎn)生的一種性質(zhì)穩(wěn)定、富含碳素(C%≥60%)、具有不同程度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[8-11]。由于其具有固碳、吸附、持水、減小土壤容重、改善酸性土壤、提高作物產(chǎn)量等多種特性而越來(lái)越受到人們的關(guān)注[12-15]。目前，關(guān)于生物炭對(duì)稻田CH4排放影響的研究已有很多[13, 14, 16-18]，且大部分研究表明，生物炭施用對(duì)淹水灌溉稻田CH4有減排作用。在農(nóng)業(yè)水資源日益緊缺的形勢(shì)下，各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)已經(jīng)得到了大面積的推廣應(yīng)用，且節(jié)水灌溉能夠顯著降低稻田CH4排放[4, 19-23]。節(jié)水灌溉的水分管理模式改變了稻田土壤環(huán)境效應(yīng)，這勢(shì)必會(huì)影響生物炭施用對(duì)稻田CH4的減排效應(yīng)。因此，生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田甲烷排放的影響有待深入研究。本文基于田間試驗(yàn)，研究了不同生物炭施用量條件下節(jié)水灌溉稻田CH4排放通量及排放量變化規(guī)律，分析了生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉水稻產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)率的影響。旨在更加全面評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉稻田的環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)稻田水土資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地(34°63′ 21″ N ，121°05′22″ E)。試區(qū)屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2 085.9 h，平均無(wú)霜期234 d。當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作，土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤質(zhì)地為重壤土，0～18 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全鉀20.86 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤容重1.32 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在無(wú)水層控制灌溉(C)條件下設(shè)置3個(gè)小麥秸稈生物炭施用水平，分別為對(duì)照0 t/hm2(A)、中等生物炭施用量20 t/hm2(B)和高生物炭施用量40 t/hm2(C)，共3個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)在蒸滲儀中進(jìn)行，每個(gè)蒸滲儀面積為5 m2(2.5 m×2 m)。控制灌溉處理在返青期田面保留10～30 mm薄水層，以后的各個(gè)生育期灌溉后稻田不建立水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標(biāo)[24]。試驗(yàn)水稻品種為南粳46，株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量為3～4株。2016年6月30日插秧，11月3日收割。施肥量和施肥時(shí)間按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行(如表1)。

1.3 氣體采樣及分析

試驗(yàn)采用靜態(tài)箱原位采集氣樣[23, 25]，箱體用厚5 mm的PVC材料制成，包括中斷箱和頂箱2部分，高各為60 cm，底面積均為50 cm× 50 cm。中段箱頂部有密封用水槽，用于水稻生長(zhǎng)后期加層。箱外包一層鋁箔，以減小采樣期間由于太陽(yáng)輻射引起的箱內(nèi)溫度變化。頂箱頂部封閉，并打孔安裝溫度探頭(HOBO UX100-011)，箱側(cè)面接出采氣管線，采氣管箱內(nèi)外分別長(zhǎng)約30 cm和1.5 m，箱外與帶有三通閥的60 mL塑料針筒相連。水稻插秧后第2日開始采集氣樣，每隔5 d采樣1次，施肥后加測(cè)，隔天取樣，取4次，取樣頻率為(施肥后第2、4、6、8天)，9月份以后取樣間隔為1周，取樣時(shí)間均為上午10∶00-11∶00，每隔10 min取一次氣，共取4次。氣體樣品采用Tedlar氣體采樣袋存儲(chǔ)、運(yùn)輸，3天內(nèi)用Agilent 7890A氣相色譜儀(安捷倫科技有限公司)分析CH4濃度。CH4排放通量按照公式(1)計(jì)算，對(duì)水稻全生育期CH4排放通量進(jìn)行內(nèi)插積分求和，即為水稻全生育期CH4排放總量。

表1 施肥時(shí)期及施肥量Tab.1 Time and amount of fertilization

(1)

式中：F為氣體排放通量，mg/(m2· h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4的密度，其值為0.714 kg/m3；h為箱頂至田表水層的高度，m；T為取樣箱內(nèi)平均氣溫，℃；dC/dt為箱內(nèi)CH4濃度隨時(shí)間的變化率，mg/(m3· h)，由每組4個(gè)氣樣濃度值與對(duì)應(yīng)的抽樣時(shí)刻0、10、20、30 min擬合直線的斜率決定。

1.4 其他觀測(cè)項(xiàng)目

在每個(gè)小區(qū)布置HOBO土壤水分、溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)稻田土壤水分與溫度(0.5 h一次)變化，田間有水層時(shí)通過預(yù)埋在田面的磚塊和豎尺讀取水層深度，根據(jù)土壤水分及田間水層變化確定是否灌水。采用水表測(cè)量灌溉水量。在水稻成熟后測(cè)定水稻產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田CH4排放通量的影響

不同生物炭施用量條件下，節(jié)水灌溉稻田CH4排放規(guī)律基本一致(圖1)。在整個(gè)生育期內(nèi)，CH4排放主要集中在生育前期(DAT=40 d之前，DAT：date after transplantation)，CH4排放的兩個(gè)主要峰值均出現(xiàn)在這個(gè)階段。40DAT以后CH4排放一直處于較低狀態(tài)，雖仍有3次排放峰出現(xiàn)，但峰值遠(yuǎn)小于前兩次峰值。并且生育期內(nèi)3次施肥除基肥外，2次追肥(蘗肥、穗肥)均引起了CH4排放高峰。

注：圖中箭頭分別表示施用基肥、蘗肥、穗肥圖1 不同生物炭施用量下節(jié)水灌溉稻田CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Variation of CH4fluxes from paddy fields under saving-irrigation with different applications amount of biochar

從不同生物炭施用量對(duì)節(jié)水灌溉稻田CH4排放的影響來(lái)看，在20DAT之前，施用生物炭稻田CH4排放通量在大部分時(shí)段均大于對(duì)照處理，且高量生物炭施用量增加效果更加明顯。在這個(gè)時(shí)段，CA、CB與CC稻田CH4排放通量的均值分別為1.52、2.20、6.67 mg/(m2·h)，CB處理較CA處理增加30.9%，而CC處理則是CA處理的4.3倍。20DAT之后則相反，施用生物炭稻田CH4排放通量在大部分時(shí)段均要小于對(duì)照稻田。20DAT直到生育期末，CA、CB與CC稻田CH4排放通量的均值分別為3.63、2.02和2.22 mg/(m2·h)，CB與CC處理分別較CA處理降低44.4%與38.8%。

稻田兩次主要排放峰值均出現(xiàn)在水稻分蘗中期之前。CB、CC處理第一個(gè)CH4主要排放峰出現(xiàn)在蘗肥施用后的第4天[兩者峰值分別為7.08、24.73 mg/(m2·h)]，CA處理則出現(xiàn)在第6天[16.67 mg/(m2·h)]。三者第二個(gè)CH4主要排放峰在水稻移栽后第35天同時(shí)達(dá)到，CB、CC處理第二個(gè)CH4主要排放峰值分別為11.63、8.53 mg/(m2·h)，分別較CA處理[18.71 mg/(m2·h)]低37.8% 與54.4%。

本研究與已有研究結(jié)果基本一致[13, 26]，生物炭施用在水稻生長(zhǎng)前期促進(jìn)了稻田甲烷排放，而在后期大部分時(shí)段均降低了甲烷排放。生物炭施入土壤后，可以提高稻田土壤有機(jī)質(zhì)的含量，尤其在水稻生育前期[27]，這為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的底物[9]，從而促進(jìn)了水稻生育前期CH4的排放。在水稻生長(zhǎng)后期，由于生物炭的施用會(huì)增加土壤的通氣性和孔隙度，從而提高甲烷氧化菌的活性[28]，增強(qiáng)土壤的氧化能力[29]，再加上其本身的吸附作用，這都會(huì)在一定程度上抑制CH4的排放。此外，生物炭的添加可以提高土壤的pH值，從而影響產(chǎn)甲烷菌的活性[18]，這可能會(huì)對(duì)CH4的產(chǎn)生有一定的抑制作用。

本研究結(jié)果中甲烷排放通量范圍為0.15～24.73 mg/(m2·h)，這較侯會(huì)靜[19]的結(jié)果相比偏大，這主要與本試驗(yàn)田于2014年施用了有機(jī)肥有關(guān)，而有機(jī)肥施用能夠促進(jìn)稻田甲烷排放[30-32]。

2.2 CH4累積排放量

圖2為不同處理稻田CH4累積排放量的變化。在40DAT之前，稻田CH4排放累積量增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)速度變緩，且各處理稻田CH4累積排放量可用公式y(tǒng)=aln(x)+b進(jìn)行擬合。在水稻整個(gè)生育期內(nèi)CB處理稻田CH4累積排放量均要小于其他兩種處理。在移栽后70 d之前，CC處理CH4累積排放量大于CA處理，70DAT之后小于CA處理。這與高量生物炭施用量明顯增大了稻田前期CH4排放，而降低了后期CH4排放有關(guān)。從水稻整個(gè)生育期來(lái)看，三種處理稻田水稻全生育期CH4累積排放量分別為7.56、5.31、7.08 g/m2(CA、CB、CC)，CB與CC處理分別較CA處理降低了29.8% 與6.3%。由此可以看出，生物炭施用能夠降低稻田CH4排放量，且減排效果隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象。本試驗(yàn)中，中等生物炭施用量對(duì)節(jié)水灌溉稻田甲烷排放的抑制效果最為明顯，這與Xu等[33]、Liu等[34]的結(jié)論基本一致。

圖2 不同處理稻田CH4累積排放量Fig.2 CH4cumulativeemissions from paddy fields with different treatments

2.3 生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉水稻產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)率的影響

對(duì)于不同的農(nóng)田管理模式，作物產(chǎn)量始終是評(píng)判其能否推廣利用的重要指標(biāo)之一。大量研究表明，生物炭施用對(duì)作物具有增產(chǎn)功效[14, 35-37]，也有部分高量生物炭施用會(huì)降低作物產(chǎn)量甚至減產(chǎn)[38, 39]。在本試驗(yàn)中，CB、CC處理水稻產(chǎn)量分別為8 070 kg/hm21與8 550 kg/hm2，分別較CA(7 380 kg/hm2)處理提高了9.3%與15.9%(表2)。同時(shí)，生物炭施用均提高了灌溉水分生產(chǎn)率，CB、CC稻田灌溉水分生產(chǎn)率分別較CA稻田提高了15.1%與19.0%。

表2 不同處理水稻產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)率Tab.2 Rice yields and irrigation water productivity

生物炭的添加可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[40]，提高耕作土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素總量和作物可利用態(tài)含量[11]，其具有的吸附特性可以減少土壤營(yíng)養(yǎng)元素的淋失[38]，這都會(huì)對(duì)提升土壤肥力產(chǎn)生積極影響，從而提高作物產(chǎn)量。

3 討 論

目前，關(guān)于生物炭對(duì)CH4排放影響的研究已有很多，但不同研究結(jié)果之間存在差異。秦曉波等[12]在廣東省惠州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所國(guó)家水稻品種區(qū)試驗(yàn)田的研究表明，相對(duì)于對(duì)照處理，施用生物炭(5、10、20 t/hm2)均對(duì)CH4的排放產(chǎn)生了抑制作用。 Kang等[41]針對(duì)韓國(guó)稻田的研究表明，施用生物炭減少了稻田CH4的排放。郭艷亮等[9]、李松等[13]所做試驗(yàn)也均表明生物炭施用對(duì)稻田CH4排放有抑制作用，并分析其原因可能是生物炭改善了土壤的通氣狀況，破壞了厭氧環(huán)境，降低了產(chǎn)甲烷菌的活性，提高了甲烷氧化菌的活性。與此同時(shí)， Zhang等[26]在江蘇宜興的研究結(jié)果表明，生物炭的施用增加了稻田CH4排放。賈俊香等[42]、Castaldi等[43]的研究結(jié)果也均表明了生物炭對(duì)CH4排放不同程度的促進(jìn)作用，原因可能是生物炭的添加為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的基質(zhì)。在本試驗(yàn)中，不同的生物炭添加量(20與40 t/hm2)均對(duì)節(jié)水灌溉稻田CH4排放有抑制作用。相較不施用生物炭處理，中量及高量生物炭施用的節(jié)水灌溉稻田CH4排放量分別減少了29.8%與6.3%，中量生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田CH4的減排作用更大。CH4的產(chǎn)生與排放受多種因素的影響，氣候、土壤類型、水分管理方式、生物炭原材料及制備條件、生物炭添加量等[13, 14, 27]，不同的試驗(yàn)條件可能是導(dǎo)致生物炭施用對(duì)稻田CH4排放影響的研究結(jié)果不同的原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)在水稻移栽后20d之前，施用生物炭增加了節(jié)水灌溉稻田CH4排放通量，且高量生物炭施用量稻田的增加效果更明顯，在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，中量生物炭處理稻田CH4平均排放通量較對(duì)照處理稻田增加30.9%，而高量生物炭處理稻田CH4平均排放通量則是對(duì)照處理稻田的4.3倍。水稻移栽20d之后生物炭施用均降低了節(jié)水灌溉稻田CH4排放通量，20DAT直到生育期末，中量與高量生物炭施用處理稻田CH4平均排放通量分別較對(duì)照處理稻田降低44.4%與38.8%。

(2)生物炭施用能夠降低節(jié)水灌溉稻田CH4累積排放量，中量生物炭施用量對(duì)稻田CH4的減排效果更顯著；生物炭施用節(jié)水灌溉稻田CH4排放累積過程均可用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合。中量與高量生物炭施用稻田水稻全生育期CH4累積排放量分別較對(duì)照處理稻田降低29.8%與6.3%。

(3)節(jié)水灌溉稻田施用生物炭在節(jié)水的同時(shí)，提高了水稻產(chǎn)量與灌溉水分生產(chǎn)率。中量與高量生物炭施用稻田水稻產(chǎn)量分別較對(duì)照處理提高了9.3%與15.9%，灌溉水分生產(chǎn)率分別增加了15.1%與19.0%.

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