水肥管理對稻田CH4排放及其全球增溫潛勢影響的評估*

謝立勇,許 婧,郭李萍,徐玉秀,孫 雪,趙洪亮,郭 飛,趙 迅

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 沈陽 110161;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081)

水肥管理對稻田CH4排放及其全球增溫潛勢影響的評估*

謝立勇1,許 婧1,郭李萍2,徐玉秀1,孫 雪1,趙洪亮1,郭 飛1,趙 迅1

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 沈陽 110161;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081)

甲烷(CH4)是主要溫室氣體之一,對全球增溫的作用僅次于二氧化碳(CO2)。稻田是CH4的重要排放源,減少稻田CH4排放對減緩氣候變暖具有直接效應。為此,掌握稻田CH4排放的規(guī)律和特征對控制和減少稻田CH4排放尤為重要。為了解稻田溫室氣體排放的主要影響因子及影響程度,估算稻田溫室氣體全球增溫潛勢,尋求農(nóng)田減排措施,我們通過收集已發(fā)表的文獻建立了稻田CH4排放的數(shù)據(jù)庫,采用析因分析與回歸分析方法對稻田CH4日排放量和全球增溫潛勢特征和可能的影響因子進行了分析。結果表明,稻田CH4日排放量和增溫潛勢均隨土壤有機質(zhì)背景含量的升高而增加,不同類型稻田CH4日排放量大小依次為:雙季稻晚稻>雙季稻早稻>單季稻>稻麥輪作晚稻;晚稻田CH4的增溫潛勢大于早稻田。不同肥料處理條件下,稻田CH4日排放量表現(xiàn)為:秸稈還田>配施有機肥>化學氮肥≈生物炭?？刂乒喔人靠山档偷咎顲H4的綜合增溫潛勢,表現(xiàn)為:持續(xù)淹水>曬田>干濕交替>控制灌溉。研究結果說明,稻田CH4的產(chǎn)生與排放過程受土壤有機質(zhì)含量、肥料管理和水分管理以及輪作制度等多種因素的共同影響,應依據(jù)不同土壤條件和種植制度,適當調(diào)整肥水管理,以減少稻田溫室氣體排放,降低其增溫潛勢。

稻田;溫室氣體;甲烷排放;增溫潛勢;土壤有機質(zhì);水肥管理;栽培制度

甲烷(CH4)是三大溫室氣體之一,對全球增溫的作用僅次于二氧化碳(CO2)。稻田是CH4的重要排放源,其排放量約占大氣CH4總排放量的15%[1]。根據(jù)中華人民共和國氣候變化第2次國家信息通報[2],2005年中國農(nóng)業(yè)CH4排放占CH4總排放量的56.6%,而稻田CH4排放占農(nóng)業(yè)CH4總排放量的31.5%。我國水稻種植面積約占耕地總面積的25%,占世界水稻總種植面積的20%左右。因此減少稻田CH4排放對減緩氣候變化非常重要。稻田CH4是土壤中有機物在嚴格厭氧條件下分解產(chǎn)生的,是一個非常復雜的過程[3],既受到土壤理化性質(zhì)、氣候條件的影響,也受到耕作制度、水稻品種和田間管理措施的影響[4]。CH4產(chǎn)生主要包括產(chǎn)酸和不產(chǎn)酸兩個途徑,前者在專性礦質(zhì)營養(yǎng)產(chǎn)CH4菌的參與下,以H2或有機分子還原CO2或直接利用甲酸和CO形成CH4;后者在甲基營養(yǎng)產(chǎn)CH4菌的參與下,對含甲基的簡單化合物進行脫甲基作用產(chǎn)生CH4,這一途徑約占70%左右,是產(chǎn)生CH4的主要途徑。稻田CH4產(chǎn)生后通過3種途徑向大氣中傳輸:一是分子擴散作用排放;二是氣泡傳輸方式排放;三是植物通氣組織傳輸排放[5]。其中,植株體排放是稻田CH4排放的主要途徑[6]。水稻根系具有較強的輸送CH4能力,約80%的CH4通過水稻植株的通氣組織傳向大氣[7-8]。

影響稻田CH4排放的主要因素包括土壤溫度、土壤pH、水分管理、肥料施用等。土壤溫度直接影響有機質(zhì)分解、土壤微生物活性、CH4的產(chǎn)生和向大氣圈傳輸?shù)乃俾?。產(chǎn)生CH4微生物活動的最適宜溫度為35～37℃,在水稻生育期內(nèi),CH4日排放通量變化與土壤溫度日變化相一致[9]。土壤pH主要影響土壤有機質(zhì)的分解速率和產(chǎn)CH4菌的活性,土壤pH呈中性利于土壤CH4的產(chǎn)生。當pH<5.75或pH>8.75,產(chǎn)CH4菌活動受到抑制,CH4排放大大減少甚至不排放[10]。土壤有機質(zhì)含量高的淹水稻田中產(chǎn)CH4菌活性也較高,CH4排放較多,CH4排放量與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關[11-12]。灌溉方式及稻田水面厚度也影響稻田CH4排放。淺水灌溉會減少CH4排放,灌溉水深在10 cm以內(nèi)時,CH4排放通量隨灌水深度增加而增加[13]。與持續(xù)淹水相比,中期曬田可以減少36%～65%以上的CH4排放[14-16],間歇性灌水能夠減少32%～93%的CH4排放[17-19]。在不同水分管理下,稻田CH4和N2O排放存在明顯的消長關系[20]。在減少CH4排放的同時,往往導致N2O排放的增加[8],而N2O的溫室效應又遠高于CH4[9]。因此,在改變水分管理措施減排CH4時,還需關注N2O的排放以及兩者協(xié)同效應。氮肥通過影響其他因素而間接影響CH4排放。增加氮肥用量可以抑制稻田CH4的排放[21]。稻田施氮水平從低氮到中氮,CH4排放降低幅度最大,從中氮到高氮變化不明顯[22]。施用尿素比硝酸銨和硫酸銨排放的CH4多[23]。秸稈和綠肥還田顯著增加稻田CH4排放量,并隨還田量的增加而增加[24]。此外,施用未腐熟的農(nóng)家肥、糞渣等增加稻田CH4的排放,而發(fā)酵過的沼渣沼液能夠減少CH4排放[21]?；屎陀袡C肥混施能有效減少CH4排放且不影響產(chǎn)量,是減少稻田CH4排放的有效手段之一。

稻田CH4排放的測定或監(jiān)測數(shù)據(jù)比較多,中國稻田CH4排放具有明顯的地域性分布規(guī)律,以西南地區(qū)的排放通量最高,平均達16.8 mg(CH4)·m-2·h-1;長江中下游地區(qū)次之;華北和華南地區(qū)偏少;東北稻作區(qū)排放通量最低[25]。在水稻整個生長期CH4排放峰值出現(xiàn)在返青期和分蘗期。為方便估算稻田溫室氣體排放,本文采用收集已發(fā)表文獻的方法建立數(shù)據(jù)庫[25];針對不同種植制度的稻田(雙季稻早稻、雙季稻晚稻、典型單季稻及稻麥輪作),對不同管理措施下的稻田CH4排放進行析因分析,探索稻田CH4排放的主要影響因子及影響程度,并對不同水分管理措施下溫室氣體排放的綜合全球增溫潛勢進行分析,為估算稻田CH4排放、制定合理的稻田溫室氣體減排策略提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用文獻數(shù)據(jù)庫(中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、ScienceDirect和SpringLink等)對2015年以前發(fā)表的關于中國稻田CH4排放的國內(nèi)外期刊及碩、博士論文進行檢索,輸入關鍵詞如“CH4排放”、“甲烷”、“水分管理”和“肥料管理”等獲得相關文獻。

1.2 數(shù)據(jù)庫構建

用Excel表格進行數(shù)據(jù)輸入并分層歸類,數(shù)據(jù)庫中原始數(shù)據(jù)包括如下信息:文獻信息(作者、時間、文獻原始出處)、試驗地信息(試驗地點、土壤類型、土壤質(zhì)地、pH、土壤有機質(zhì)、總氮、黏粒含量、作物類型、生育期時間)、水肥管理(灌溉與否、灌溉方式、是否曬田、施肥方式、施肥量、氮肥類型及用量)、稻田CH4日排放量、全球增溫潛勢等。氮肥施入量統(tǒng)一換算為kg(N)·hm-2;稻田CH4的日排放量單位分別為kg(CH4)·hm-2·d-1,全球增溫潛勢(global warming potential,GWP)單位為kg(CO2-e)·hm-2·d-1。

GWP是某一給定物質(zhì)在一定時間積分范圍內(nèi)與CO2相比而得到的相對輻射影響值,是為了評價各種溫室氣體對氣候變化影響的相對能力參數(shù)。全球增溫潛勢是評價不同溫室氣體之間溫室效應的衡量指標。依據(jù)IPCC溫室氣體清單方法學[26],100年基礎上CH4的GWP計算公式如下:

1.3 數(shù)據(jù)分析

為確保數(shù)據(jù)具有代表性,所建數(shù)據(jù)庫文獻篩選需滿足以下幾個條件:1)收集的數(shù)據(jù)均來自大田試驗;2)標明試驗時間、地點、試驗地土壤理化性狀、試驗設計和田間管理等基本信息;3)CH4和N2O氣體的采樣方法科學,觀測時間至少為某一作物的完整生育期。

對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行亞組分層(表1)。由于不同稻作制度生育期長短及土壤性質(zhì)、生育期溫度等不同,稻田CH4排放量和增溫潛勢也有所不同。稻田CH4排放主要是有機物質(zhì)或有機物質(zhì)在淹水條件下分解產(chǎn)生的,因此在考慮各種處理對CH4排放的影響時,按照土壤有機質(zhì)含量進行分層歸類(肥料處理下土壤有機質(zhì)按照≤25 g·kg-1和>25 g·kg-1分層,水分處理下土壤有機質(zhì)按照≤30 g·kg-1和>30 g·kg-1分層);在此基礎上再將稻田分為早稻田、晚稻田和單季稻稻田,將稻田CH4和N2O排放依據(jù)肥料類型、土壤改良劑和水分管理幾個因素再進行亞組分析,并根據(jù)稻田CH4在肥料處理和水分處理中的排放規(guī)律分別對土壤有機質(zhì)(SOM)進行亞組分層以進行析因分析;對GWP進行匯總分析,分析其可能的影響因子。

化肥包括尿素和復合肥,有機肥主要是混有泥土或秸稈的動物糞便,秸稈還田是指上一季的小麥和水稻秸稈全部還田或一半還田,生物炭是用秸稈等農(nóng)作物廢物在缺氧條件下高溫碳化形成的生物炭。持續(xù)淹水即整個生長季始終保持淹水狀態(tài),直至收獲前一周排水落干;曬田是插秧后淹水,分蘗期末期排水曬田,復水后保持淹水狀態(tài),直至收獲前1～2周排水落干;干濕交替是插秧后淹水,分蘗期末期排水曬田,復水后采取干濕交替管理方式,直至收獲前1～2周排水落干;控制灌溉就是整個生育期采取不間斷的干濕交替灌溉模式,或保持田間濕潤狀態(tài)。

對于文獻中的一些異常數(shù)據(jù),首先采用經(jīng)驗法去除,參照已有文獻報道及理論分析規(guī)定上限值和下限值,把高于上限和低于下限100%的數(shù)據(jù)直接去除。其次,利用SPSS軟件的統(tǒng)計學功能設置95%置信區(qū)間,箱圖上、下限以外的點屬于異常值適當剔除。中值更能代表一組數(shù)據(jù)的平均水平,因此選取每組數(shù)據(jù)的中值代表此組數(shù)據(jù)。最終實際使用336條文獻數(shù)據(jù),分布于全國66個站點。使用Excel軟件進行數(shù)據(jù)分析和做圖。

表1 稻田CH4排放條件分類Table 1 Classification of affecting factors of CH4emission from paddy fields

2 結果與分析

2.1 肥料管理對稻田CH4排放的影響

2.1.1 對早稻田CH4排放的影響

我國早稻種植區(qū)主要集中在江蘇、浙江、安徽、湖南、湖北及兩廣地區(qū),早稻一般在3月底至4月上旬育秧,4月下旬至5月上旬插秧,7月中下旬收獲,生育期85～100 d。本文收集到的早稻田CH4排放數(shù)據(jù)主要是雙季稻中的早稻,氮肥施用量100～300 kg(N)·hm-2。

稻田CH4排放不僅受到土壤有機質(zhì)(SOM)背景含量的影響,施用或配施不同類型的肥料,稻田CH4排放也存在差異(圖1)。當SOM≤25 g·kg-1時,僅施用化學氮肥的早稻田CH4日排放量中值為1.61 kg(CH4)·hm-2·d-1,配施有機肥的CH4日排放量中值為1.83 kg(CH4)·hm-2·d-1,而化肥結合秸稈還田處理下CH4日排放量中值有明顯增加,達2.49 kg(CH4)·hm-2·d-1。隨著土壤有機質(zhì)含量增加,CH4排放呈現(xiàn)增加趨勢:當SOM>25 g·kg-1時,配施有機肥和秸稈還田兩個處理的CH4日排放量比SOM≤25 g·kg-1時分別增加0.45 kg(CH4)·hm-2·d-1和0.96 kg(CH4)·hm-2·d-1,增加幅度達24%和39%;而不同SOM背景條件下施用氮肥對早稻田CH4排放沒有顯著變化。此外,收集到的數(shù)據(jù)中有一些施用生物炭改良劑(這些試驗條件中的SOM背景值均大于25 g·kg-1,n=8),數(shù)據(jù)分析顯示施用生物炭,CH4日排放量中值為1.02 kg(CH4)·hm-2·d-1,明顯低于其他施肥方式。

圖1 早稻田肥料管理方式對不同土壤有機質(zhì)水平的稻田CH4日排放量的影響Fig.1 Effect of fertilizer management on CH4daily emission from early paddy field with different soil organic matter levels

2.1.2 對晚稻田CH4排放的影響

晚稻主要包括雙季稻的晚稻和水旱輪作的晚稻,一般于6月中下旬育秧,7月中下旬插秧,10月下旬至11月上旬收獲,生育期105～130 d,水稻生產(chǎn)中比較重視晚稻的管理,因為晚稻對水稻產(chǎn)量的貢獻份額較大。

雙季稻晚稻種植區(qū)域與早稻種植區(qū)域大致相同,與早稻相比較,晚稻稻田CH4排放量整體偏高(圖2和表2)。在施用化肥、配施有機肥和秸稈還田幾種處理下,雙季稻晚稻稻田CH4日排放量呈現(xiàn)遞增的趨勢。SOM背景值≤25 g·kg-1情況下,CH4日排放量中值分別為2.44 kg(CH4)·hm-2·d-1、2.98 kg(CH4)·hm-2·d-1和3.80 kg(CH4)·hm-2·d-1;與單施化肥處理相比,配施有機肥和秸稈還田處理雙季稻晚稻田CH4日排放量分別增加22%和56%;在SOM背景值>25 g·kg-1情況下,各肥料處理CH4日排放量中值略低,但施用生物炭則顯著降低雙季稻晚稻田CH4排放,其日排放量中值為1.02 kg(CH4)·hm-2·d-1。

稻麥輪作是長江中下游典型的輪作種植模式。由于水旱輪作改變了稻田持續(xù)淹水狀況,使得一些冷浸田等持續(xù)淹水稻田的不良性狀得到改善。此外,稻田排水種植冬小麥能抑制稻田產(chǎn)CH4菌的活動,從而有效減少CH4的產(chǎn)生和排放。由圖2b可以看出,稻田CH4日排放量中值普遍低于2 kg(CH4)·hm-2·d-1。SOM背景值≤25 g·kg-1時,單施化肥和添加生物炭條件下,CH4日排放量中值為0.55 kg(CH4)·hm-2·d-1和0.51 kg(CH4)·hm-2·d-1,配施有機肥和秸稈還田處理下CH4日排放量中值為0.99 kg(CH4)·hm-2·d-1和1.82 kg(CH4)·hm-2·d-1。在SOM背景值>25 g·kg-1條件下,各肥料處理的CH4日排放量中值均高于低SOM背景的排放,其中單施化肥處理的差異較大。CH4日排放量大小依次為秸稈還田>配施有機肥>單施氮肥>添加生物炭,且添加生物炭可使CH4日排放量顯著降低。

圖2 肥料管理對不同土壤有機質(zhì)水平的雙季稻晚稻田(a)和水旱輪作晚稻田(b)CH4日排放量的關系Fig.2 Effect of fertilizer management on CH4daily emission from late paddy field of double cropping rice (a) and rice-wheat rotation (b) with different soil organic matter levels

2.1.3 對單季稻稻田CH4排放的影響

單季稻稻作區(qū)主要分布在東北、華北和西北部分地區(qū),育秧時間一般在清明節(jié)前后,4月下旬至5月上旬大田移栽,9月下旬至10月上旬收獲,生育期120～150 d。不同肥料類型對單季稻稻田CH4排放有顯著影響(圖3),SOM背景值≤25 g·kg-1時,單施化肥處理的CH4日排放量中值為0.78 kg(CH4)·hm-2·d-1,配施有機肥和秸稈還田處理顯著增加CH4排放量,日排放量分別增加97%和283%,施用生物炭使CH4排放降低了46%。在SOM背景值>25 g·kg-1情況下,不同處理的CH4日排放量中值分別為1.08 kg(CH4)·hm-2·d-1(單施化肥)、2.70 kg(CH4)·hm-2·d-1(配施有機肥)、6.19 kg(CH4)·hm-2·d-1(秸稈還田)和0.93 kg(CH4)·hm-2·d-1(添加生物炭),CH4日排放量的差異更為顯著。

圖3 單季稻稻田肥料管理對不同有機質(zhì)水平稻田CH4日排放量的影響Fig.3 Effect of fertilizer management on CH4daily emission from single cropping rice field with different soil organic matter levels

不同類型稻田在各肥料類型及土壤改良劑條件下的CH4日排放量表現(xiàn)出較大差異(表2)。雙季稻的早稻田CH4日排放量為1.02～3.45 kg(CH4)·hm-2·d-1,雙季稻的晚稻田和稻麥輪作的晚稻田CH4日排放量分別為0.52～3.80 kg(CH4)·hm-2·d-1和0.48～1.86 kg(CH4)·hm-2·d-1,單季稻稻田CH4日排放量為0.78～6.19 kg(CH4)·hm-2·d-1,稻田CH4日排放量大小依次為:雙季稻的晚稻稻田>雙季稻的早稻稻田>單季稻稻田>稻麥輪作的晚稻稻田。可以看出,稻麥輪作可以顯著減少稻田CH4的排放。

2.2 水分管理對稻田CH4全球增溫潛勢的影響

2.2.1 對早稻田CH4的全球增溫潛勢的影響

稻田CH4的產(chǎn)生和排放與土壤水分狀況密切相關,稻田在曬田落干期間,土壤由嫌氣轉為好氣,顯著促進氮素的硝化作用。

按照水分管理方式,將收集到的稻田CH4的數(shù)據(jù)分為持續(xù)淹水(CF)、淹水-曬田-復水-落干(簡稱曬田,FDF)、淹水-曬田-干濕交替-落干(簡稱干濕交替,FD)和控制灌溉(CI)4個亞組。由圖4和表3可以看出,不論SOM≤30 g·kg-1還是SOM>30 g·kg-1,稻田CH4的排放量均為持續(xù)淹水(CF)>曬土(FDF)>干濕交替(FD)>控制灌溉(CI)。土壤有機質(zhì)背景值對稻田CH4排放影響明顯。當土壤有機質(zhì)含量低時,稻田CH4的增溫潛勢也較低,當SOM背景值≤30 g·kg-1時,各灌溉模式的CH4增溫潛勢分別降低25%、12%、45%和39%,其中FD和CI減排顯著。淹水條件下稻田CH4排放量最高,中期曬田或間歇灌溉能夠顯著降低CH4的排放?？傮w來講,早稻稻田溫室氣體全球增溫潛勢按CF、FDF、FD和CI的順序呈現(xiàn)規(guī)律性的遞減(表3)。所以控制灌溉是稻田溫室氣體減排的最有效措施。

表2 不同肥料類型及土壤改良劑處理下不同有機質(zhì)水平稻田CH4日排放量中值Table 2 Middle values of CH4daily emission from paddy field with different soil organic matter levels under application of different fertilizer types and soil conditioner kg(CH4)·hm-2·d-1

圖4 不同有機質(zhì)水平早稻田水分管理對CH4增溫潛勢的影響Fig.4 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from early paddy field of double cropping rice with different soil organic matter levels

2.2.2 對晚稻田CH4排放的綜合影響

相比早稻田,雙季稻的晚稻田各灌溉模式下CH4的增溫潛勢較高。這主要是由于晚稻生育期氣溫和土溫都較高,土壤中碳、氮轉化過程及強度均比較活躍而導致。

由圖5和表3可知,雙季稻晚稻田CH4增溫潛勢隨水分管理方式不同而不同,SOM背景值≤30 g·kg-1時,CF的CH4增溫潛勢最高,中值為6 700.00 kg(CO2-e)·hm-2,FDF、FD和CI分別較CF減排11%、49%和68%。SOM背景值>30 g·kg-1時,CF的CH4增溫潛勢中值為7 362.67 kg(C)·hm-2,FDF、FD和CI的CH4增溫潛勢分別較CF低26%、60%和56%,其中CI模式比FD模式排放略高,但無顯著差異?？梢哉J為,土壤有機質(zhì)對晚稻田CH4排放無明顯影響。

圖5 不同有機質(zhì)水平晚稻田(雙季稻)水分管理對CH4增溫潛勢的影響Fig.5 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from late paddy field of double cropping rice with different soil organic matter levels

由圖6和表3可知,在稻麥輪作的晚稻田中,SOM背景值≤30 g·kg-1時,稻田CH4全球增溫潛勢普遍較低,且按CF、FDF、FD和CI的順序遞減,但不同水分管理模式下稻田N2O的增溫潛勢則依次升高,分別占總全球增溫潛勢的1%、3%、13%和50%?？梢?控制灌溉時稻田CH4排放降低,而N2O排放卻明顯增加,這主要因為控制灌溉保持田間濕潤無水層或整個生育期保持干濕交替的狀態(tài),破壞了產(chǎn)CH4菌適宜的厭氧環(huán)境,營造了硝化反應產(chǎn)生N2O的有利環(huán)境。不過,與增加的N2O排放相比,減少的CH4排放份額大得多,因此控制水分管理能降低稻田溫室氣體增溫潛勢,是稻田溫室氣體減排的最有效措施之一。

在SOM背景值>30 g·kg-1時,CH4增溫潛勢顯著增高,可能由于稻麥輪作中上一季的小麥秸稈還田增加了外源有機物質(zhì),秸稈碳成為CH4產(chǎn)生的主要基質(zhì)供應,在厭氧條件下迅速被產(chǎn)CH4菌等微生物利用,產(chǎn)生和排放更多的CH4,最終導致稻田CH4排放顯著增加。而在同樣條件下,稻田N2O增溫潛勢則有的增加有的減少,目前還沒有較為一致的解釋。

圖6 不同有機質(zhì)水平晚稻田(稻麥輪作)水分管理對CH4增溫潛勢的影響Fig.6 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from late paddy field of rice-wheat rotation with different soil organic matter levels

2.2.3 對單季稻稻田CH4增溫潛勢的影響

在SOM背景值≤30 g·kg-1時,FDF、FD和CI的CH4增溫趨勢分別比CF降低281.89 kg(C)·hm-2、912.39 kg(C)·hm-2和2 887.89 kg(C)·hm-2,CH4減排比例分別為7%、25%和81%,CH4排放對稻田總增溫潛勢的貢獻率分別為95%、94%、91%和42%,依然是稻田排放的主要溫室氣體。SOM背景值>30 g·kg-1時,各水分管理模式下的全球增溫潛勢、CH4排放特征與SOM背景值≤30 g·kg-1時趨勢保持一致,且稻田CH4增溫潛勢分別增加47%、55%、29%和95%,控制灌溉模式下全球增溫模式較其他3組灌溉模式降低的更多,有明顯的減排作用(圖7)。

對于CF、FDF、FD和CI各個處理,在減少CH4排放的同時,相應的N2O排放比例依次增加,分別為5%、6%、9%、58%(SOM≤30 g·kg-1)和2%、2%、10%、29%(SOM>30 g·kg-1),但稻田溫室氣體總全球增溫潛勢依然是控制灌溉處理最低。

總體來講,單季稻稻田溫室氣體全球增溫潛勢隨CF、FDF、FD和CI的順序依次遞減(表3)?？刂扑止芾硎堑咎餃厥覛怏w減排的有效措施,與持續(xù)淹水比較,其他各種控制灌溉處理中,單季稻稻田溫室氣體減排量為3%～64%,其中,控制灌溉的減排效果最好。

表3 不同灌溉模式下不同有機質(zhì)水平稻田CH4和N2O的全球增溫潛勢中值(GWP)Table 3 Middle values for global warming potential (GWP) of CH4and N2O under different irrigation models from paddy field with different soil organic matter (SOM) levels kg(CO2-e)·hm-2

3 討論

本研究結果表明,稻田CH4日排放量和增溫潛勢均隨土壤有機質(zhì)背景含量的升高而增加,不同類型稻田CH4日排放量大小依次為:雙季稻晚稻>雙季稻早稻>單季稻>稻麥輪作晚稻,晚稻田CH4增溫潛勢大于早稻田。不同肥料處理條件下,稻田CH4日排放量表現(xiàn)為:秸稈還田>配施有機肥>化學氮肥≈生物炭?？刂乒喔人靠山档偷咎顲H4的綜合增溫潛勢,表現(xiàn)為:持續(xù)淹水>曬田>干濕交替>控制灌溉。研究結果說明,稻田CH4的產(chǎn)生與排放過程受土壤有機質(zhì)含量、肥料管理和水分管理以及輪作制度等多種因素的共同影響,應依據(jù)不同土壤條件和種植制度,并適當調(diào)整肥水管理,以減少稻田溫室氣體排放,使其增溫潛勢達到最低。

圖7 不同有機質(zhì)水平單季稻稻田水分管理對CH4增溫潛勢的影響Fig.7 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from single cropping rice field with different soil organic matter levels

3.1 不同類型稻田CH4排放量分析對比

單施化肥、配施有機肥和秸稈還田處理下,晚稻田CH4日排放量平均比早稻田高0.5倍。這可能由于晚稻生長季內(nèi)溫度高于早稻所致。晚稻生長季內(nèi)溫度高,土壤微生物更為活躍,有機物質(zhì)或土壤有機碳的分解速率加快,產(chǎn)生的CH4日排放量更多。相比之下,稻麥輪作各施肥類型的稻田CH4日排放量比雙季稻早稻和晚稻都低,在單施化肥、配施有機肥、秸稈還田處理下分別比早稻平均低51%、47%和36%,較晚稻平均低66%、66%和59%。需要注意的是,本文中單季稻樣本量偏低,其排放值的精度有待于進一步驗證。土壤有機質(zhì)含量不同,稻田CH4日排放量也存在差異。隨土壤有機質(zhì)含量升高,晚稻田CH4排放沒有顯著變化;而早稻田、稻麥輪作稻季和單季稻田均有明顯升高[27-28]。土壤SOM背景值較高時(SOM>25 g·kg-1),單施化肥、配施有機肥和秸稈還田各處理的CH4日排放量均比SOM背景值低(SOM≤25 g·kg-1)時有所增加。各處理下單季稻田CH4日排放量增加顯著。

3.2 肥料管理對稻田CH4排放的影響

肥料特別是有機肥料的施用是稻田CH4排放的一個重要影響因素。不同種類的肥料在不同類型的稻田中,對CH4排放的影響也不同。本研究表明,配施有機肥和秸稈還田,均不同程度增加了稻田CH4日排放量。各處理下稻田CH4日排放量表現(xiàn)為秸稈還田[1.83～3.45 kg(CH4)·hm-2·d-1]>配施有機肥[0.99～2.98 kg(CH4)·hm-2·d-1]>氮肥[0.55～2.44 kg(CH4)·hm-2·d-1]。這是由于秸稈還田后秸稈中的碳(主要為粗纖維、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)向土壤中提供了有機物質(zhì),為CH4生成提供了物質(zhì)基礎,促進了稻田CH4的產(chǎn)生和排放[27-28]。有機肥中也有相當數(shù)量的易于被微生物利用的碳(如有機酸、氨基糖等)和腐殖酸,可激活土壤微生物的活性,促進產(chǎn)CH4菌的活性,因而促進CH4排放[29-30]。本文涉及的有機肥多是農(nóng)家肥如豬糞、牛糞,含有大量活性強、易于被微生物利用的成分,促進了土壤有機碳的分解礦化,在嫌氣條件下產(chǎn)生CH4的比率也增加。

與配施有機肥和秸稈還田處理相比,添加生物炭的稻田CH4日排放量顯著降低;但與單施化學氮肥處理相比,減排效果只對雙季稻有一定作用,而在單季稻中未有顯示。這可能是由于雙季稻田淹水時間較長,土壤氧化還原電位(Eh)大部分時間較低,生物炭本身有一些官能基團(如-OH、-CH2-、C=C、酯基C=O)及其灰分中含有K、Na、Ca、Mg等鹽基離子,會改善土壤的強還原狀況,可能對甲烷產(chǎn)生有一定的抑制作用[31-32]。單季稻稻田淹水時間較短,土壤還原狀況相對較弱,導致生物炭的改良作用效果較小,對CH4產(chǎn)生的抑制作用也較小。由于收集到的生物炭對稻田CH4排放的影響文獻有限,需進一步驗證。

3.3 水分管理對稻田CH4全球增溫潛勢的影響

水分管理不僅控制稻田土壤的好氣和嫌氣狀況,而且對稻田土壤碳、氮循環(huán)有直接影響,對稻田CH4和N2O排放的此消彼長和全球增溫潛勢也有直接影響。分析表明,不同水分管理下的稻田CH4增溫潛勢表現(xiàn)為:CF>FDF>FD>CI,其中晚稻田CI模式比FD的增溫潛勢中值略高,但整體數(shù)值呈下降趨勢。稻田全球增溫潛勢整體表現(xiàn)為:CF>FDF>FD>CI。稻田CH4對溫室效應的貢獻率平均高達90%以上(范圍為50%～99%),依然是稻田溫室氣體排放的主要形式。曬田處理一般在排水條件較好的地區(qū)、在水稻分蘗后期進行1～2周,此時由于土壤由嫌氣轉為好氣,硝化作用開始進行,分蘗期施用的未被作物及時吸收的氮素即在硝化作用過程中釋放出N2O。盡管N2O的全球增溫潛勢高于CH4,但曬田控制在一定時間內(nèi),產(chǎn)生的N2O全球增溫潛勢占生育期內(nèi)總全球增溫潛勢的比例仍較小(2%～58%)[16-17,27]。因此,一定條件下的排水曬田仍然是稻田溫室氣體減排的主要措施之一。就我國目前水稻主產(chǎn)區(qū)的排水條件而言,控制灌溉所需的人力、物力比較大,所以該措施還沒有廣泛推行,而常見的水分管理模式依然是FDF或FD,中期曬田依然是較為簡單易行的稻田溫室氣體減排措施。

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Impact of water/fertilizer management on methane emission in paddy fields and on global warming potential*

XIE Liyong1,XU Jing1,GUO Liping2,XU Yuxiu1,SUN Xue1,ZHAO Hongliang1,GUO Fei1,ZHAO Xun1
(1.College of Agronomy,Shenyang Agriculture University,Shenyang 110161,China;2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China)

Methane (CH4) is a key greenhouse gas,second only to CO2in term of contribution to global warming.Paddy field,as an important source of CH4emission,has significant implications for global warming and climate change.In order to understand the main factors of CH4emission in paddy fields and its impact on global warming,this study calculated potential global warming and sought measures to mitigate CH4emission in paddy fields.To do so,we collected data on CH4emission in paddy fields in China using literatures published before 2015 (including journals and doctoral and master dissertations) and documented in CNKI net,ScienceDirect and SpringLink.Then daily CH4emission,global warming potential (GWP) and as-sociated factors influencing CH4emission in paddy fields in China were analyzed using regression and factorial analyses.The results showed that daily emission of CH4in paddy field and GWP due to CH4emission increased with increasing soil organic matter (SOM).The order of daily CH4emission from paddy field was:late paddy field of double cropping rice >early paddy field of double cropping rice >single cropping paddy field >late paddy field of rice-wheat rotation.GWP due to CH4emission in late paddy field was more than that in early paddy field for double cropping rice.The order of daily CH4emission from paddy fields with different fertilizer managements was:ST (straw turnover) >NO (chemical nitrogen fertilizer with organic manure) >NF (chemical nitrogen fertilizer) ≈ BI (biochar).Water management significantly affected CH4emission from paddy fields with the order of continuous flooding (CF) >field drying (FDF) >flooding-drying alternation (FD) >control irrigation(CI).Proper water management also significantly reduced GWP due to CH4emission.The order of GWP due to CH4emission in early paddy fields,late paddy fields and single cropping rice paddy fields was also as follows:CF >FDF >FD >CI.The results suggested that CH4emission was influenced by many factors,including soil SOM content,water and fertilizer management,and basic soil conditions.However,agricultural management activities (e.g.,water and fertilizer management,fertilizer amount,fertilizer type) played a major role in CH4emission in agricultural lands.This was influenced by soil nutrient conditions (soil SOM content and C∶N ratio),climatic conditions (crop growth period,temperature and precipitation during growth period),management practices (fertilizer and water management),rotation system,and other factors.For a more accurate inventory of greenhouse gas emission and proposal of effective mitigation policies,it was critical to use appropriate practices suitable to specific climatic,soil and cropping conditions,combined with rational nitrogen fertilizer application rate and water management.

Paddy field;Greenhouse gases;Methane (CH4) emission;Global warming potential;Soil organic matter;Water and fertilizer management;Cropping system

,XIE Liyong,E-mail:xly0910@163.com

Dec.10,2016;accepted Mar.7,2017

S162

:A

:1671-3990(2017)07-0958-10

10.13930/j.cnki.cjea.160921

謝立勇,許婧,郭李萍,徐玉秀,孫雪,趙洪亮,郭飛,趙迅.水肥管理對稻田CH4排放及其全球增溫潛勢影響的評估[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2017,25(7):958-967

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*國家科技支撐計劃“十二五”項目(2013BAD11B03)資助

謝立勇,主要從事氣候變化與低碳農(nóng)業(yè)研究。E-mail:xly0910@163.com

2016-12-10 接受日期:2017-03-07

*This study was founded by the National Key Technology Research &Development Program of China (2013BAD11B03).