劉小林,林 麗,劉佳妮,陳澤斌,余 磊,劉桂華,徐勝光
(1.宜春學(xué)院 生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,江西 宜春 336000;2.昆明學(xué)院 云南省高校生物炭工程研究中心,云南 昆明 650214)
土壤產(chǎn)生并釋放的 N2O 約占生物圈排放到大氣中 N2O 總量的 53%,農(nóng)業(yè)土壤是N2O 的主要排放源[1]。施用氮肥排放的 N2O 占土壤 N2O 總排放量的 25%~82%[2]。增加氮肥用量,N2O 排放隨之增加[3-5]。長期大量施用氮肥及其所導(dǎo)致的土壤酸化均會(huì)促進(jìn) N2O 的釋放[6],但氮肥施用量水平較低時(shí)對(duì) N2O 排放的影響并不顯著[7-8]。而且,作物及其氮素利用對(duì)土壤N2O 排放也有重要影響。研究指出,作物生長能顯著降低土壤N2O 排放量[9-15],但也有植物生長會(huì)大幅增加土壤N2O 排放的研究報(bào)道[16-19]。另外,植物本身也能產(chǎn)生和排放 N2O[20-23],隨著施氮量增加,植物排放N2O明顯增加[16],且植物排放N2O還受光強(qiáng)和土壤N、P供給水平等因素影響[24]。
多點(diǎn)代面的尺度擴(kuò)展結(jié)果顯示,2008 年中國稻田水稻生長季 N2O 排放量均值為 22.48 Gg[25],稻田 N2O 排放隨施氮量增加而增加[5,26-27]。但在稻田淹水造成厭氧環(huán)境的條件下,N2O 進(jìn)一步被還原為 N2,此時(shí)氮肥對(duì) N2O 排放的影響并不明顯[28]。在N 0~180 kg/hm2,增施尿素對(duì)稻田N2O 排放的影響不顯著,只有施用尿素量達(dá)到N 270,360 kg/hm2時(shí),N2O 排放通量才會(huì)明顯升高[29]。研究表明,水稻植株也會(huì)影響稻田N2O 的排放,據(jù)測定,華南丘陵地區(qū)稻田的 N2O 季節(jié)平均排放量為(42.33±20.00)μg/(m2·h),但當(dāng)?shù)咎餂]有種植水稻時(shí)N2O 季節(jié)平均排放量則為(51.69±15.87)μg/(m2·h)[14]。 王重陽等[15]研究證實(shí),稻田植株能使土壤 N2O 排放減少 81%。但是也有相反研究結(jié)果的報(bào)道,如鄒建文等[30]通過研究表明,水稻田中土壤 N2O 排放量比相同條件下裸土的 N2O 排放量增加37%。
從前人的研究成果看,無論是土壤還是植物 N2O 排放均與施氮量、農(nóng)田水分狀況等因素密切相關(guān),但相關(guān)研究結(jié)果差異較大,其原因可能與土壤介質(zhì)不均勻性、影響因素多且難以控制有關(guān)。此外,植物根際N2O 排放也會(huì)影響到葉際N2O 排放,光照、氮源對(duì)農(nóng)田N2O 排放作用應(yīng)與其對(duì)作物根、葉界面N2O 排放的效應(yīng)密切相關(guān)。但迄今為止,對(duì)光照和施氮量調(diào)控水稻根際、葉際界面 N2O 排放的作用及其機(jī)制尚不清楚。因此,本研究在水培控氮、同步測定條件下,探討了光照和施氮量對(duì)水稻葉際及根際N2O 排放的影響及機(jī)制,以為稻田 N2O 減排提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)用小型光控培養(yǎng)箱裝置(圖 1)的制備材料、設(shè)計(jì)規(guī)格、工作原理、使用方法與徐勝光等[31-33]介紹的方法完全一致,試驗(yàn)時(shí)將水稻地上部和地下部嚴(yán)密分隔在試驗(yàn)裝置的內(nèi)室和外室,并通過內(nèi)、外室抽氣管采集氣樣的 N2O 檢測與數(shù)據(jù)分析,了解水稻根、葉界面 N2O 排放狀況。試驗(yàn)裝置最大優(yōu)點(diǎn)可同步精確定量研究水稻葉際和根際 N2O 排放。
圖1 設(shè)計(jì)的N2O揮發(fā)試驗(yàn)裝置Fig.1 Self-designed integrated N2O monitoring box
1.2.1 室內(nèi)弱光試驗(yàn) 水稻葉際及根際N2O排放通量試驗(yàn)供試水稻 (OryzasativaL.) 品種培雜泰豐來自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)。試驗(yàn)用苗培養(yǎng)方法及試驗(yàn)期間試驗(yàn)裝置光強(qiáng)的調(diào)控方法,均采用徐勝光等[31-33]介紹的方法實(shí)施。前期通過測定[33],不同類型水稻土有效氮(堿解氮)平均含量33.06 mg/kg (標(biāo)準(zhǔn)差±8.07),高有效氮含量的水稻土可達(dá) 60.79 mg/kg。本試驗(yàn)設(shè)低氮 (1N, 30 mg/L)、中氮 (2N, 60 mg/L)、高氮 (3N, 90 mg/L)的不同施氮量處理,每處理重復(fù) 3 次。培養(yǎng)液氮濃度用 NH4NO3(分析純) 控制,同時(shí)做試驗(yàn)裝置的空白試驗(yàn),空白試驗(yàn)重復(fù) 3次。試驗(yàn)用 GLZ-C 型光量子計(jì)錄儀測定離外室罩內(nèi)壁 5 cm 處的光強(qiáng)。在日間 8:00-18:00 時(shí)段,日間光照設(shè)置為 4 000 lx;晚上 18:00-8:00 為暗處理時(shí)段,所有處理光強(qiáng)均為 0 lx。
試驗(yàn)水稻植株的處理:均采用徐勝光等[31-33]介紹的方法實(shí)施,采用該種方法,能夠在對(duì)水稻植株基本不造成傷害的情況下,使水稻地上部和地下部能夠嚴(yán)密分隔開來。水稻根際界面產(chǎn)生的 N2O,被分隔集聚在外室空氣中;而水稻地上部排放的 N2O 卻被分隔集聚在內(nèi)室空氣中。
氣樣 N2O 檢測:試驗(yàn)氣樣采集、分析均參照徐勝光等[31-33]介紹的方法實(shí)施,該試驗(yàn)方法在正式實(shí)施試驗(yàn)前先用氣泵快速置換試驗(yàn)裝置空氣 ,然后立即封箱 3 h,封箱時(shí)間為每天上午9:30-12:30,下午14:00-17:00,晚上18:30-21:30。封箱時(shí)即刻采樣測定初始空氣 N2O 濃度,封箱 3 h 內(nèi)每隔 1 h采樣測定一次,具體封箱時(shí)間為每天上午9:30-12:30,下午14:00-17:00,晚上18:30-21:30。采用 Agilent Technologies公司生產(chǎn)的 7890A GC system 氣相色譜儀測定N2O的排放。
試驗(yàn)播種日期為 2013 年 6 月 20 日。分蘗期、開花結(jié)實(shí)期、成熟衰老期試驗(yàn)分別于 2013 年 8 月 24-29 日、9 月23-29日和 11月10-16日實(shí)施,實(shí)施試驗(yàn)時(shí),分蘗期、開花結(jié)實(shí)期、成熟衰老期水稻生育期分別為 64,93,136 d,平均水稻植株鮮質(zhì)量分別為 140,346,290 g。
1.2.2 不同光照條件下不同施氮量對(duì)水稻葉際及根際N2O排放通量試驗(yàn) 前期研究表明,開花結(jié)實(shí)期是植物葉際 N2O 排放的關(guān)鍵時(shí)期。2014年試驗(yàn),于水稻開花結(jié)實(shí)期實(shí)施脫氮 (0N, 0 mg/L)、低氮 (1N, 30 mg/L)、高氮 (3N, 90 mg/L) 3個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,實(shí)施時(shí)的光照條件分別是:室內(nèi)弱光 (8:00-18:00, 4 000 lx; 18:00-22:00, 0 lx)、室內(nèi)強(qiáng)光(8:00-18:00, 8 000 lx; 18:00-22:00, 0 lx) 和室外自然光。試驗(yàn)氮源用NH4NO3(分析純) 控制。室內(nèi)弱光控試驗(yàn)的光源均參照徐勝光等[31-33]介紹的方法調(diào)控,試驗(yàn)于2014年5月10日播種育苗,實(shí)施試驗(yàn)時(shí)間為2014年8月25-30日。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí),水稻的生育期為 95 d,平均鮮質(zhì)量為 380 g,水稻生長處于開花結(jié)實(shí)期。這時(shí)水稻 N2O 排放試驗(yàn)及觀測方法同1.2.1。
N2O 排放通量計(jì)算主要采用王艷群等[4]的方法進(jìn)行:
F=ρ×V/A×dc/dt×273/(273+T)
式中:F表示 N2O 排放通量 (μg/(m2·h));ρ是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度 (N2O, 1.98 kg/m3);V為內(nèi)、外室有效體積 (m3);A為靜態(tài)箱底面積 (m2) ;dc/dt為封箱單位時(shí)間 (1 h) 采樣箱內(nèi)氣體N2O濃度的變化 (μL/(m3·h));T為采樣箱氣溫 (℃)。
按照上述公式計(jì)算所得數(shù)據(jù)資料經(jīng) Excel 2003 初步整理、作圖,用 SPSS 19.0 進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)分析,處理間差異顯著性檢驗(yàn)用 Duncan 多重比較法。
從表1可見,在上午 (8:00-12:00)、下午 (13:00-17:00) 和晚上 (18:00-22:00) 不同時(shí)間均觀測到水稻分蘗期葉際及根際 N2O 凈排放效應(yīng) (2013 年試驗(yàn)),處理間 N2O 排放差異達(dá)顯著水平 (P<0.05)。室內(nèi)嚴(yán)密光氮控制條件下,高氮 (3N, NH4NO3-N, 90 mg/L)處理的水稻分蘗期葉際及根際平均 N2O 排放通量為 98.3,246.1 μg/(m2·h)(上午、下午、晚上平均),分別相當(dāng)于低氮(1N, NH4NO3-N, 30 mg/L)、中氮處理 (2N, NH4NO3-N, 60 mg/L)的2.82,2.32 倍和 8.31,3.09倍,具有促進(jìn)水稻根、葉界面 N2O 排放的顯著作用 (P<0.05)。試驗(yàn)供氮范圍內(nèi)隨著施氮量增加,水稻根、葉界面 N2O 排放均明顯增加,但低氮與中氮處理間水稻葉際 N2O 排放差異不顯著。因此,室內(nèi)弱光條件下,控制施氮量才能有效抑制分蘗期水稻根、葉界面N2O 排放。
表1 室內(nèi)弱光下不同施氮量處理的分蘗期水稻葉際及根際 N2O 的排放通量Tab.1 N2O emission flux of rice phyllosphere and rhizosphere in different nitrogen concentration at tillering stage
注: 1N、2N和3N表示不同施氮量處理的培養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度分別為30,60,90 mg/L (NH4NO3-N);同一列中標(biāo)明數(shù)據(jù)的不同小寫字母表示不同施氮量處理間差異達(dá)顯著水平 (Duncan 多重比較,P<0.05 )。表2-3、圖2-3同。
Note:Nitrogen concentration of liquid culture in treatment of 1N, 2N and 3N was 30, 60 and 90 mg/L (NH4NO3-N), respectively; Values followed by a different small letter within a column is significantly different at 0.05 (Duncan test,P<0.05 ) levels. The same as Tab.2-3,Fig.2-3.
由表2可以看出,開花結(jié)實(shí)期水稻根、葉界面 N2O 的排放對(duì)施氮量的響應(yīng)大致表現(xiàn)和分蘗期相似的規(guī)律。但在弱光控試驗(yàn)條件下,中氮 (2N)、高氮 (3N) 處理的水稻葉際及根際N2O 排放通量分別為87.6,105.6 μg/(m2·h) 和 273.5,256.7 μg/(m2·h) (上午、下午、晚上平均),分別相當(dāng)于分蘗期中氮(2N)、高氮 (3N) 處理的207.09%,107.4% 和 342.7%,104.3%。其中,高氮水平葉際N2O排放占水稻根、葉界面N2O總排放的30.16%。顯然,對(duì)比分蘗期,室內(nèi)弱光(4 000 lx)條件下,中氮水平(2N)處理的開花結(jié)實(shí)期水稻根、葉界面N2O 排放成倍增加,但高氮(3N)處理的開花結(jié)實(shí)期水稻根、葉界面N2O 排放增加比例不大。而且,同期中 (2N)、高氮 (3N) 處理間水稻根、葉界面N2O 排放差異均不顯著 (P>0.05),水稻根、葉界面N2O 排放對(duì)中、高氮 (3N) 水平的響應(yīng)基本一致,弱光控試驗(yàn)條件下進(jìn)一步提高施氮量并未有顯著提升同期水稻根、葉界面 N2O 排放的效果。
表2 室內(nèi)弱光下不同施氮量處理對(duì)開花結(jié)實(shí)期水稻葉際及根際 N2O 的排放通量Tab.2 N2O emission flux of rice phyllosphere and rhizosphere in different nitrogen concentration at flowering and seed setting stage
由表3可知,在水稻成熟衰老期,施氮量對(duì)水稻根、葉界面 N2O 排放的作用大致表現(xiàn)和中前期相似的規(guī)律。這一時(shí)期,弱光控試驗(yàn)條件下中氮 (2N)、高氮 (3N) 處理的水稻葉際及根際平均 N2O 排放通量分別為83.3,121.3 μg/(m2·h) 和 270.9,279.2 μg/(m2·h) (上午、下午、晚上平均)。其中,高氮水平葉際N2O排放占水稻根、葉界面N2O總排放的31.33%與水稻開花結(jié)實(shí)期對(duì)比(表2),中、高氮條件下水稻成熟衰老期根、葉界面 N2O 排放均無明顯下降的趨勢。而且在低氮 (1N) 條件下,水稻成熟衰老期葉際及根際平均N2O 排放通量分別相當(dāng)于開花結(jié)實(shí)期的134.78% 和 191.02%,這一時(shí)期低氮水平下水稻根、葉界面仍有較大量的N2O 排放??梢姡境墒焖ダ掀谌杂休^大量的N2O 排放,進(jìn)一步控制施氮量對(duì)控制成熟衰老期水稻根、葉界面 N2O 排放仍然重要。
表3 室內(nèi)弱光下不同施氮量處理的成熟衰老期水稻葉際及根際 N2O 的排放通量Tab.3 N2O emission flux of rice phyllosphere and rhizosphere in different nitrogen concentration at mature aging stage
弱光 (4 000 lx)、強(qiáng)光 (8 000 lx) 和自然光條件下(圖 2),試驗(yàn)結(jié)果表明,脫氮 (0 mg/L)、低氮 (30 mg/L)、高氮 (90 mg/L) 處理的水稻開花結(jié)實(shí)期葉際 N2O 排放通量分別為 2.9,29.1,116.3 μg/(m2·h),23.6,40.1,120.1 μg/(m2·h) 和 10.9,26.2,131.3 μg/(m2·h)。與2013年度試驗(yàn)比較,弱光控試驗(yàn)條件下低氮、高氮處理葉際N2O排放通量差別不大(2013年分別為36.8,105.6 μg/(m2·h))。隨著施氮量增加,水稻葉際 N2O 排放亦明顯增加,不同時(shí)間段處理間水稻開花結(jié)實(shí)期葉際 N2O 排放通量有顯著性差異(P<0.05)。但在高氮水平條件下,室內(nèi)弱光、室內(nèi)強(qiáng)光、自然強(qiáng)光(平均26 500 lx)處理的水稻葉際 N2O 排放通量依次上升,隨著日間光照增強(qiáng),水稻葉際 N2O 排放明顯增強(qiáng),表明自然強(qiáng)光、高氮的協(xié)同作用,有增強(qiáng)水稻葉際 N2O 排放的作用效果。另外,總體而言,試驗(yàn)表明,隨著光照增強(qiáng),不同施氮處理的水稻葉際N2O 排放亦呈明顯增強(qiáng)趨勢,但脫氮、低氮處理間水稻葉際 N2O 排放差異明顯縮小,自然強(qiáng)光處理?xiàng)l件下脫氮、低氮處理間N2O 排放差異不顯著(P>0.05)。顯然,強(qiáng)光、低氮的協(xié)同作用,具有明顯抑制水稻葉際N2O 排放的作用效果。
T1.9:30-10:30; T2.10:30-11:30; T3.11:30-12:30; T4.14:00-15:00; T5.15:00-16:00; T6.16:00-17:00; T7.18:30-19:30; T8.19:30-20:30; T9. 20:30-21:30。
由圖3可以看出,在弱、強(qiáng)光及自然光下,脫氮(0N)、低氮(1N)、高氮(3N)處理的水稻開花結(jié)實(shí)期根際 N2O排放通量分別為 3.3,77.1,308.4 μg/(m2·h),14.1,45.6,182.4 μg/(m2·h) 和 19.3,44.9,224.6 μg/(m2·h),不同光照條件下高氮水平較低氮、脫氮處理均有增強(qiáng)水稻根際 N2O 排放的顯著作用(P<0.05,圖3)。但水稻根際 N2O 排放亦與光照密切相關(guān)。在低氮、高氮不同水平條件下,室內(nèi)強(qiáng)光、自然光處理的水稻根際平均 N2O 排放通量分別相當(dāng)于弱光處理的59.14%,58.24% 和 59.1%,72.8%,結(jié)果表明,在不同的供氮水平(1N、3N)下,與弱光處理比較,強(qiáng)光、自然光處理兼有抑制水稻根際 N2O 排放的效果。另外,弱光、強(qiáng)光及自然光不同條件下,低氮處理 (1N) 的水稻根際N2O 排放分別相當(dāng)于脫氮處理的23.21,3.23,2.33倍,但自然光下低氮、脫氮處理間水稻根際 N2O 排放差異并不顯著 (P>0.05)。顯然,弱光條件下,與脫氮比,低氮施肥有效增強(qiáng)了水稻根際N2O 排放。但強(qiáng)光下低氮供肥對(duì)促進(jìn)水稻根際N2O 排放不明顯,強(qiáng)光、低氮協(xié)同作用有同步抑制水稻根際N2O 排放的作用效果。
圖3 不同光照條件下不同施氮量處理的開花結(jié)實(shí)期水稻根際N2O排放通量Fig.3 N2O emission flux of rice rhizosphere in different nitrogen concentration at flowering and seed setting stage under various light illumination
此外,試驗(yàn)結(jié)果還表明,弱、強(qiáng)及自然光條件下脫氮、低氮、高氮處理葉際N2O排放占N2O總排放的比例分別為:脫氮,46.84%,62.61%,36.12%;低氮,27.39%,46.75%,36.90%;高氮,27.61%,39.71%,36.90%,進(jìn)一步驗(yàn)證了水稻葉際N2O排放是稻田N2O 的重要排放源。
據(jù)統(tǒng)計(jì),在全球范圍內(nèi),農(nóng)作物的 N2O 排放量占人類活動(dòng)導(dǎo)致 N2O 排放總量的 60%[34-35]。玉米、大豆植物對(duì)土壤(砂)-植物系統(tǒng)N2O 排放的貢獻(xiàn)率為 79.1%~100%[36]。林木排放的 N2O 約為林下土壤排放 N2O 的 86.7%[37]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),水稻植株通氣組織對(duì)稻田 N2O 排放的貢獻(xiàn)率為 75%~86%[32]。但是,由于土壤介質(zhì)存在不均勻性且很難控制,因此,對(duì)水稻葉際 N2O 的排放及其貢獻(xiàn)進(jìn)行定量評(píng)估現(xiàn)在還非常困難。
本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的裝置可以在非離體試驗(yàn)條件而且基本上不傷害水稻植株的情況下,對(duì)水稻葉際及根際 N2O的排放進(jìn)行同步精確定量測定。同時(shí),培養(yǎng)液的均勻一致性使試驗(yàn)結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。試驗(yàn)結(jié)果表明,高氮水平、弱光處理的水稻分蘗期、開花結(jié)實(shí)期、成熟衰老期平均葉際 N2O 排放通量分別為 98.3,105.6, 121.3 μg/(m2·h),分別占水稻根、葉界面 N2O 總排放的 29.30%,30.16% 和 31.33%,且控氮施肥未降低水稻葉際對(duì) N2O 排放的貢獻(xiàn)。在弱光 (4 000 lx)、強(qiáng)光 (8 000 lx) 和自然光(平均 26 500 lx)不同條件下,水稻開花結(jié)實(shí)期葉際 N2O 排放貢獻(xiàn)比例分別為:脫氮,46.84%,62.61%,36.12%;低氮,27.39%,46.75%,36.90%;高氮,27.61%,39.71%,36.90%。顯然,不同生育期水稻葉際確有較大量的 N2O 排放損失,損失比例約30%~60%。強(qiáng)光、自然光下水稻葉際 N2O 排放貢獻(xiàn)比例更高,而減少施氮雖然有效降低葉際 N2O排放通量,但未有相應(yīng)降低水稻葉際 N2O 排放貢獻(xiàn)的效果,而提高日間光強(qiáng)會(huì)相應(yīng)提高水稻葉際的 N2O 排放貢獻(xiàn)的作用。
其次,作物通過根系吸收與硝化反硝化作用能夠競爭利用有效氮,從而減少 N2O 的生成[40]。與弱光比較,強(qiáng)光、自然光在不同供氮水平(1N、3N)下兼有抑制水稻根際 N2O 排放效應(yīng),其原因顯然與適度范圍內(nèi)高光強(qiáng)有利于水稻吸收有效氮而抑制根際 N2O 排放效應(yīng)密切向關(guān)。另外,試驗(yàn)表明弱光條件下低氮 (1N) 處理的水稻根際 N2O 排放相當(dāng)于脫氮處理的 23.21 倍 (P<0.05),而強(qiáng)光、自然光照下脫氮與低氮處理間水稻根際 N2O 排放差異不顯著 (P>0.05)。由此可見,高光強(qiáng)促進(jìn)水稻植物氮吸收而抑制根際 N2O 排放作用,在低氮供應(yīng)條件下表現(xiàn)得尤為突出,強(qiáng)光、低氮的協(xié)同作用有明顯抑制水稻 N2O 排放重要作用。相反,弱光不利于水稻根系對(duì)氮素的吸收利用,而與之對(duì)比,弱光、低氮的協(xié)同作用有明顯促進(jìn)水稻根際 N2O排放的作用效果。
從本試驗(yàn)結(jié)果看,試驗(yàn)供氮范圍內(nèi)隨著施氮量的增加,水稻根、葉界面N2O 排放通量隨之增加;弱光下控制施氮量對(duì)控制水稻根、葉界面N2O 排放作用明顯減弱;強(qiáng)光、高氮的協(xié)同作用,在抑制根際N2O 排放同時(shí),有同步增強(qiáng)水稻葉際N2O 排放作用,而強(qiáng)光、低氮的協(xié)同作用,具有同步抑制水稻根、葉界面N2O 排放的作用效果。