水炭運(yùn)籌下稻田痕量溫室氣體排放與水氮利用關(guān)系研究

張作合 李鐵成 張忠學(xué) 李 凱 李浩宇 孔凡丹

(1.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 綏化 152061； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

全球氣候變暖問題已經(jīng)受到世界各國(guó)的高度關(guān)注，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是甲烷、氧化亞氮等非二氧化碳溫室氣體排放最主要途徑之一，其中稻田是甲烷、氧化亞氮的主要排放源[1]。研究表明，甲烷和氧化亞氮總排放量中分別有10%～27%、12%～17.9%來自稻田[2-3]，甲烷和氧化亞氮在大氣中的濃度雖遠(yuǎn)低于二氧化碳，但在100年尺度上甲烷和氧化亞氮的GWP分別是二氧化碳的28、265倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為15%和5%[4]。因此，減少稻田溫室氣體排放量是緩解全球氣候變暖最為有效的方法之一。近些年來，節(jié)水灌溉技術(shù)在各國(guó)的廣泛應(yīng)用，使水資源供需矛盾問題得到了有效地緩解。該技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著減少稻田甲烷排放量，但增加了稻田氧化亞氮排放量[5]，同時(shí)使稻田有機(jī)質(zhì)分解加速，長(zhǎng)期應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致土壤肥力降低，迫切需要開展與之相適應(yīng)的碳管理方式，來實(shí)現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用。傳統(tǒng)的土壤碳管理措施如秸稈還田等，在顯著增加土壤中有機(jī)碳及土壤肥力的同時(shí)，導(dǎo)致土壤碳排放的激增。同時(shí)由于東北地區(qū)受低溫冷涼氣候的影響，秸稈還田技術(shù)面臨許多技術(shù)問題，如還田的秸稈當(dāng)年難以腐爛，影響下年出苗率，病害增加等[6]。而新型生物質(zhì)炭施用技術(shù)能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[7]，有利于土壤營(yíng)養(yǎng)的釋放和氮素的保留[8]，增加水稻的產(chǎn)量[9]，同時(shí)減少甲烷和氧化亞氮的排放[10]。

生物質(zhì)炭對(duì)稻田甲烷、氧化亞氮排放的影響已得到廣泛研究[11-14]。劉玉學(xué)等[11]在稻田中施加生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)甲烷和氧化亞氮的累積排放量較對(duì)照處理顯著降低(P<0.05)，分別降低64.2%～78.5%和16.3%～18.4%。蔣晨等[12]研究表明，施用生物質(zhì)炭可有效減少甲烷排放，且甲烷的排放通量隨著生物質(zhì)炭用量的增加逐漸減少。李松等[13]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用可以使稻田甲烷和氧化亞氮累積排放量減少，但過量生物質(zhì)炭(超過20 t/hm2)對(duì)甲烷減排效果下降。祁樂等[14]研究紫色水稻土中施加生物質(zhì)炭對(duì)稻田甲烷和氧化亞氮排放的影響，發(fā)現(xiàn)甲烷排放通量顯著減小(P<0.05)，而對(duì)氧化亞氮無明顯減排作用。上述研究對(duì)生物質(zhì)炭是否可以減少稻田甲烷和氧化亞氮排放得到的結(jié)論較為一致，但不同地域的作用效果差別很大。另外，文獻(xiàn)[15]研究了不同水炭運(yùn)籌下稻田氧化亞氮排放規(guī)律，但只分析了氧化亞氮排放量與氮肥利用率之間的關(guān)系，關(guān)于甲烷排放與氮肥利用率之間的關(guān)系尚未進(jìn)行研究。

本文以傳統(tǒng)淹水灌溉作為對(duì)比，應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，研究水炭運(yùn)籌下稻田甲烷和氧化亞氮排放規(guī)律，以及稻作水氮利用對(duì)稻田痕量溫室氣體排放的影響，并計(jì)算稻田痕量溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)(GWP)、排放強(qiáng)度(GHGI)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站(127°40′45″E，46°57′28″N)進(jìn)行，該站位于黑龍江省綏化市慶安縣和平鎮(zhèn)，是典型的寒地黑土水稻種植區(qū)。多年平均氣溫約為2.9℃，多年平均降水量約為550 mm，多年平均水面蒸發(fā)量約為750 mm。作物水熱生長(zhǎng)期為156～171 d，全年無霜期128 d左右。水稻生長(zhǎng)期氣溫和降雨量日變化曲線如圖1所示。

圖1 水稻生長(zhǎng)期氣溫和降雨量日變化曲線Fig.1 Daily variation curves of air temperature and precipitation

水稻秸稈制成生物質(zhì)炭的轉(zhuǎn)化率為1/3，即每公頃稻草可制成2.5 t的秸稈生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭的碳、氮含量分別為42.72%、1.26%，pH值為8.86。供試土壤pH值為6.40，其他主要理化性質(zhì)(質(zhì)量比計(jì))：有機(jī)質(zhì)為41.80 g/kg，全氮為1.51 g/kg，堿解氮為148.27 mg/kg，全磷為15.61 g/kg，速效磷為24.22 mg/kg，全鉀為19.86 g/kg，速效鉀為156.13 mg/kg。供試水稻品種為綏粳18，插秧密度為25 穴/m2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置傳統(tǒng)淹水灌溉(F)和干濕交替灌溉(C)兩種水分管理模式(表1)。生物質(zhì)炭施用量設(shè)4個(gè)水平，即0 t/hm2(B0)、2.5 t/hm2(B1)、12.5 t/hm2(B2)、25 t/hm2(B3)。共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共24個(gè)方形試驗(yàn)小區(qū)(10 m×10 m)。秸稈生物質(zhì)炭在表層土壤中施入，并均勻混合；純氮施入量110 kg/hm2，分為基肥(50%)、蘗肥(20%)、穗肥(30%)3個(gè)階段施入；K2O施入量80 kg/hm2，分基肥(50%)和穗肥(50%)2個(gè)階段施入；P2O5施入量45 kg/hm2，作為基肥一次性全部施入，并根據(jù)各階段的施入比例計(jì)算尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的實(shí)際施入量。試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置15N示蹤微區(qū)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)預(yù)埋4 m2無底鋼制方形框，微區(qū)內(nèi)施用豐度為10.22%的15N標(biāo)記尿素(上?；ぱ芯吭荷a(chǎn))，其他條件與所在小區(qū)相同。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1肥料吸收利用率

根據(jù)文獻(xiàn)[16]的方法分別計(jì)算各期氮肥的吸收利用率(NUE)。

1.3.2耗水量

水稻階段耗水量計(jì)算式為

ETi=ΔWi+Ii+Pi-Ri

(1)

式中ETi——生育期階段耗水量，mm

ΔWi——生育期階段儲(chǔ)水量差值，mm

Ii——生育期階段灌水量，mm

Pi——生育期階段降雨量，mm

Ri——生育期階段排水量，mm

i表示生育階段，i為1、2、3、4、5分別代表分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、灌漿期和成熟期。

水稻生育期總耗水量計(jì)算式為

ETtotal=∑ETi

(2)

式中ETtotal——生育期總耗水量，mm

水分利用效率WUE計(jì)算式為

(3)

式中Y——水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2

1.3.3甲烷、氧化亞氮樣品采集

甲烷、氧化亞氮的排放通量采用人工靜態(tài)暗箱-氣象色譜法定位觀測(cè)。靜態(tài)箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，靜態(tài)箱由上部箱體(材料為5 mm透明有機(jī)玻璃，根據(jù)株高變化選用60 cm和120 cm高度的箱體)和下部不銹鋼底座(頂端密封槽寬2 cm、深5 cm，底部設(shè)置通水通氣孔)構(gòu)成，預(yù)埋底座和溫度傳感器。按照靜態(tài)箱結(jié)構(gòu)示意圖安裝采氣管(入箱20 cm)、三通閥和注射器(60 mL)，三通閥另一個(gè)孔與采氣袋連接。采氣時(shí)，將水注入不銹鋼底座的密封槽中來避免箱體中的氣體與外界發(fā)生交換。田間氣體采樣按照生育期劃分時(shí)段，采集氣樣的時(shí)間為當(dāng)日的10:00—14:00之間[15,17]。每隔7～10 d采樣一次，特殊情況增加氣樣采集次數(shù)。采樣時(shí)，箱密封放置后靜止2～3 min，使箱內(nèi)氣體混合均勻。每個(gè)處理分別在第0、10、20、30分鐘各采集1次氣體，一個(gè)氣體樣品為前后連續(xù)采集的兩個(gè)氣袋，并同步記錄氣溫、地溫和箱內(nèi)溫度。

圖2 靜態(tài)箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Static box structure diagram1.底座 2.密封水槽 3.箱體 4.風(fēng)扇 5.箱內(nèi)溫度傳感器 6.采氣管 7.三通閥 8.注射器 9.測(cè)溫表 10.地表溫度傳感器 11.10 cm土壤濕度傳感器 12.通水通氣孔

1.3.4氣體樣品測(cè)定

甲烷、氧化亞氮樣品采用氣相色譜(島津GC-17A型，日本)檢測(cè)甲烷、氧化亞氮濃度。

稻田甲烷、氧化亞氮排放通量計(jì)算式為

(4)

式中F——甲烷的排放通量(mg/(m2·h))或氧化亞氮的排放通量(μg/(m2·h))

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷、氧化亞氮的密度，分別為0.714、1.964 g/m3

H——箱體有效高度，m

dc/dt——采樣過程中采樣箱內(nèi)甲烷或氧化亞氮濃度變化率，mL/(m3·h)

T——采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

P——采樣箱內(nèi)氣壓，取P=P0

甲烷、氧化亞氮總排放量(kg/hm2)[18]計(jì)算式為

(5)

式中n——生育期觀測(cè)次數(shù)

Fi——第i次采樣時(shí)甲烷、氧化亞氮排放通量，mg/(m2·h)

Fi+1——第i+1次采樣時(shí)甲烷、氧化亞氮排放通量，mg/(m2·h)

其中ti+1-ti為第i次到i+1次采樣的時(shí)間間隔，d。

1.3.5GWP和GHGI

全球增溫潛勢(shì)GWP(二氧化碳的GWP為1)以100 a為時(shí)間尺度，單位質(zhì)量的甲烷和氧化亞氮?dú)怏w的GWP分別為二氧化碳的28、265倍，計(jì)算式為

GWP=28fCH4+265fN2O

(6)

式中fCH4、fN2O——稻田生態(tài)系統(tǒng)在水稻本田期甲烷、氧化亞氮的排放量

溫室氣體排放強(qiáng)度GHGI，即單位產(chǎn)量的全球增溫潛勢(shì)(kg/kg)，計(jì)算式為

GHGI=GWP/Y

(7)

1.3.6產(chǎn)量

水稻成熟期進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.3.7氣象數(shù)據(jù)

由DZZ2型自動(dòng)氣象站自動(dòng)記錄。氣體采樣時(shí)用溫度計(jì)測(cè)定土表溫度、5 cm土層溫度和10 cm土層溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水炭運(yùn)籌下稻田甲烷、氧化亞氮排放規(guī)律

圖3為水炭運(yùn)籌下相同灌溉模式不同處理的甲烷排放通量變化曲線。比較干濕交替灌溉和傳統(tǒng)淹水灌溉模式甲烷排放通量的變化曲線得到，干濕交替灌溉模式甲烷排放通量有3次峰值出現(xiàn)，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式只出現(xiàn)2次排放峰值。兩種灌溉模式所有處理中甲烷的排放通量最高峰值均出現(xiàn)在插秧后第65天的拔節(jié)孕穗期。干濕交替灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期甲烷排放通量最大值為23.51 mg/(m2·h)，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式甲烷排放通量最大值為45.13 mg/(m2·h)；干濕交替灌溉模式甲烷排放通量最小值為0.50 mg/(m2·h)，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式甲烷排放通量最小值為0.86 mg/(m2·h)。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，傳統(tǒng)淹水灌溉模式各處理甲烷的排放通量較大，而干濕交替灌溉模式較小。

圖3 水稻本田生長(zhǎng)期各處理甲烷排放通量變化曲線Fig.3 Changes of methane emission flux of different treatments in rice growth period

圖4為水炭運(yùn)籌下相同灌溉模式不同處理的氧化亞氮排放通量變化曲線。比較干濕交替灌溉和傳統(tǒng)淹水灌溉模式氧化亞氮排放通量的變化曲線得到，干濕交替灌溉模式各處理氧化亞氮排放通量在整個(gè)生育期劇烈波動(dòng)，而常規(guī)灌溉模式各處理氧化亞氮排放通量波動(dòng)較為和緩。干濕交替灌溉和傳統(tǒng)淹水灌溉模式氧化亞氮排放通量最高峰值出現(xiàn)時(shí)間和數(shù)值都不同，傳統(tǒng)淹水灌溉模式氧化亞氮的排放通量最高峰值在分蘗期曬田時(shí)出現(xiàn)，而干濕交替灌溉模式氧化亞氮的排放通量最高峰值則在拔節(jié)孕穗期出現(xiàn)。干濕交替灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期氧化亞氮排放通量最大值為58.37 μg/(m2·h)，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式氧化亞氮排放通量最大值為41.03 μg/(m2·h)；干濕交替灌溉模式氧化亞氮排放通量最小值為0.62 μg/(m2·h)，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式氧化亞氮排放通量最小值為-7.75 μg/(m2·h)。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，干濕交替灌溉模式各處理氧化亞氮的排放通量均高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式。

圖4 水稻本田生長(zhǎng)期各處理氧化亞氮排放通量變化曲線Fig.4 Changes of nitrous oxide emission flux of different treatments in rice growth period

2.2 不同水炭運(yùn)籌下稻田甲烷、氧化亞氮排放總量、GWP和GHGI

由表2可知，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作傳統(tǒng)淹水灌溉模式的甲烷總排放量顯著高于干濕交替灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭可以明顯減少稻田甲烷排放量。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式氧化亞氮總排放量高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式，施加生物質(zhì)炭可以明顯減少稻田氧化亞氮排放量。雖然單位氧化亞氮排放所產(chǎn)生的GWP遠(yuǎn)大于甲烷，但氧化亞氮排放所產(chǎn)生的GWP僅為甲烷的1%左右。干濕交替灌溉模式產(chǎn)生的GWP小于傳統(tǒng)淹水灌溉模式，且氧化亞氮排放產(chǎn)生的GWP在二者所產(chǎn)生GWP總量中所占的比例較小，因此各處理GWP的變化趨勢(shì)與單位產(chǎn)量甲烷排放量的變化趨勢(shì)基本一致。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式所產(chǎn)生的GWP顯著低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭可以明顯減少稻田GWP。干濕交替灌溉模式和傳統(tǒng)淹水灌溉模式水稻本田生長(zhǎng)期的GHGI分別在0.58～1.04 kg/kg 和0.86～2.23 kg/kg范圍內(nèi)變化。干濕交替灌溉和傳統(tǒng)淹水灌溉模式的GHGI最大值的處理是DB0和FB0，而GHGI最小值的處理是DB2和FB3。比較干濕交替灌溉和傳統(tǒng)淹水灌溉模式之間稻田GHGI可知，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式的GHGI顯著低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，分別降低53.47%、54.04%、59.86%和30.19%。施加生物質(zhì)炭可以明顯減少水稻本田生長(zhǎng)期的GHGI，稻作干濕交替灌溉模式下DB1、DB2、DB3處理的GHGI較DB0處理分別降低6.75%、43.54%、42.31%，稻作傳統(tǒng)淹水灌溉模式下FB1、FB2、FB3處理的GHGI較FB0處理分別降低5.58%、34.56%、61.55%。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式所產(chǎn)生的GWP、GHGI顯著低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭可以明顯減少稻田痕量溫室氣體甲烷、氧化亞氮的GWP、GHGI。

表2 各處理的GWP和GHGITab.2 GWP and GHGI for each treatment

2.3 不同水炭運(yùn)籌下稻作的水分利用效率和氮肥利用率

由表3可知，兩種灌溉模式各處理水稻的耗水量分別在5 024.47～6 037.99 m3/hm2和6 946.37～7 740.81 m3/hm2范圍內(nèi)變化。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，干濕交替灌溉模式各處理水稻的耗水量顯著低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式的WUE顯著高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，分別提高30.77%、27.52%、40.65%和28.35%。稻作干濕交替灌溉模式下DB1、DB2、DB3處理的WUE較DB0處理分別提高2.21%、27.21%、19.85%。稻作傳統(tǒng)淹水灌溉模式下FB1、FB2、FB3處理的WUE較FB0處理分別提高4.81%、18.27%、22.12%。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式的WUE顯著高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭能夠提高WUE。

表3 各處理的水分利用效率Tab.3 Water use efficiency of different treatments

由表4可知，干濕交替灌溉模式下31.07%～40.56%的肥料-15N被稻株吸收，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，較傳統(tǒng)淹水灌溉提高了5.20%～11.91%；當(dāng)生物質(zhì)炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式稻株對(duì)肥料-15N的NUE均隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增大。干濕交替灌溉模式有15.55%～20.45%的基肥-15N被稻株吸收，且對(duì)基肥-15N的NUE低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式，適量的施入生物質(zhì)炭可以增加稻株對(duì)基肥-15N的NUE；傳統(tǒng)淹水灌溉模式稻株對(duì)基肥-15N的NUE隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增大。干濕交替灌溉模式適量施入生物質(zhì)炭可以增加稻株對(duì)蘗肥-15N的NUE，且在生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)高于傳統(tǒng)淹水灌溉，分別提高了13.92%、18.12%、19.32%和2.08%；傳統(tǒng)淹水灌溉模式稻株對(duì)蘗肥-15N的NUE隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增大。施加適量的生物質(zhì)炭可以增加稻株對(duì)穗肥-15N的NUE，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)干濕交替灌溉模式高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式；傳統(tǒng)淹水灌溉模式稻株對(duì)穗肥-15N的NUE隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增大。

表4 稻田整體及各期肥料氮素的吸收利用率Tab.4 Nitrogen absorption and utilization efficiency of fertilizer in whole and each stage of paddy field %

2.4 稻田GWP和GHGI與氮肥吸收利用率的相關(guān)性分析

表5為兩種灌溉模式稻田痕量溫室氣體的GWP和GHGI與NUE之間的相關(guān)性。干濕交替灌溉模式下稻田痕量溫室氣體的GWP與WUE、以及GWP與氮肥整體、基肥、蘗肥、穗肥的NUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；稻田痕量溫室氣體的GHGI與WUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與氮肥整體、基肥、蘗肥、穗肥的NUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。傳統(tǒng)淹水灌溉模式下稻田痕量溫室氣體的GWP與WUE、以及GWP與氮肥整體、蘗肥、穗肥的NUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥的NUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；稻田痕量溫室氣體的GHGI與WUE、以及GHGI與氮肥整體、蘗肥的NUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥、穗肥的NUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表5 稻田痕量溫室氣體的GWP和GHGI與水氮利用率的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients between GWP and GHGI of trace greenhouse gases and water and nitrogen utilization in paddy fields

3 討論

在東北寒地黑土水稻種植區(qū)，節(jié)水灌溉技術(shù)被廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式甲烷總排放量顯著高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)。水稻分蘗末期，為了鞏固水稻有效分蘗，會(huì)通過曬田措施來改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)根系活力，控制稻株的無效分蘗，減少肥料浪費(fèi)。短時(shí)間內(nèi)稻田土壤含水量迅速下降，土壤的通氣性增強(qiáng)，迅速增加了耕層土壤O2含量，致使耕層土壤處于強(qiáng)氧化狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌活性降低和數(shù)量減少，因此，本研究在曬田期兩種灌溉模式各處理的甲烷排放均急劇減小。生物質(zhì)炭影響稻田甲烷排放的主要原因包括：生物質(zhì)炭影響土壤水分含量、提高土壤O2含量及氧化還原電位(Eh)數(shù)值、改變微生物所需碳源供應(yīng)量。土壤水分是影響稻田甲烷排放的關(guān)鍵因素之一[19]。通常情況下，土壤O2含量、甲烷擴(kuò)散、產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性均受土壤含水量的影響。稻田土壤水分較少時(shí)，產(chǎn)生的甲烷被甲烷氧化菌氧化導(dǎo)致排放量減少；水分較多時(shí)，有機(jī)物會(huì)進(jìn)行厭氧分解，導(dǎo)致甲烷大量排放?？偟膩砜矗镔|(zhì)炭對(duì)稻田土壤含水量的調(diào)節(jié)受生物質(zhì)炭施入量及自身保水性、土壤類型及性質(zhì)等因素的影響。水稻土在厭氧培養(yǎng)和好氧培養(yǎng)下甲烷排放量分別為1.18～118 g/g和0.41～136 μg/g[20]，二者之間的甲烷排放量差異顯著(P<0.05)。施入稻田的生物質(zhì)炭與土壤黏粒的結(jié)合，提高了土壤總孔度，增加了稻田土壤O2含量[21-23]，極大地提高了甲烷被甲烷氧化菌氧化的幾率，從而減少甲烷排放。低氧化還原電位(小于-150 mV)是甲烷產(chǎn)生的必要條件[24]，Eh越低，產(chǎn)甲烷量越大。只有稻田土壤Eh低于-150 mV時(shí)才能生成甲烷，當(dāng)Eh從-200 mV降到-300 mV時(shí)，甲烷生成量增加了10倍左右，而排放量卻增加了17倍以上[25]。稻田施加生物質(zhì)炭可以增加土壤O2含量，提高土壤的Eh，抑制甲烷生成[21-23]。同時(shí)生物質(zhì)炭中含有大量K元素，K元素也有增加Eh的作用[26]，也可以抑制甲烷生成。另外，生物質(zhì)炭會(huì)吸附土壤活性有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的碳源減少[12]。施用生物質(zhì)炭改善了農(nóng)田土壤理化性質(zhì)[27]，縮短了稻株根系形態(tài)建成時(shí)間，促進(jìn)了前期根系生長(zhǎng)，延緩后期根系衰老，有利于根系對(duì)水分和氮素的吸收，從而促進(jìn)根系組織結(jié)構(gòu)發(fā)育[28]。施加適量生物質(zhì)炭提高了根系生理活性，促進(jìn)根系對(duì)水分和礦物質(zhì)元素的吸收，提高了稻作的水分利用效率和肥料的氮素吸收利用率[29]。

IPCC報(bào)告(2013年)顯示，單位產(chǎn)量氧化亞氮產(chǎn)生的溫室氣體效應(yīng)是CO2的265倍，而單位產(chǎn)量甲烷產(chǎn)生的溫室氣體效應(yīng)是CO2的28倍[4]。兩種灌溉模式相比，干濕交替灌溉模式雖然增加了單位產(chǎn)量氧化亞氮的排放量，但卻降低了單位產(chǎn)量甲烷的排放量，而單位產(chǎn)量氧化亞氮排放量只有甲烷排放量的1%左右，所以稻田痕量溫室氣體的GWP、GHGI主要由甲烷排放量決定。相同生物質(zhì)炭施用量下干濕交替灌溉模式稻田痕量溫室氣體的GWP、GHGI顯著低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭可以有效地減少GWP、GHGI。GHGI是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，它將溫室效應(yīng)與作物產(chǎn)量相結(jié)合進(jìn)行綜合溫室效應(yīng)評(píng)價(jià)[30-31]。前人的研究大多側(cè)重于相關(guān)指標(biāo)對(duì)溫室氣體排放總量和GWP影響分析[11-14]，而關(guān)于GHGI的相關(guān)評(píng)價(jià)研究不多。本研究中，水炭運(yùn)籌下稻作水氮利用率與稻田甲烷、氧化亞氮的GWP和GHGI有著密切的關(guān)系，相關(guān)分析結(jié)果表明：兩種灌溉模式稻田痕量溫室氣體的GWP和GHGI與WUE均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；兩種灌溉模式稻田痕量溫室氣體的GWP、GHGI與氮肥整體、基肥、蘗肥和穗肥的NUE均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。

在高肥力的寒地黑土區(qū)，關(guān)于水氮利用對(duì)甲烷、氧化亞氮排放的影響研究較少。本試驗(yàn)基于15N示蹤技術(shù)研究稻田甲烷和氧化亞氮排放規(guī)律，以及稻作水氮利用對(duì)稻田痕量溫室氣體排放的影響，但對(duì)生物質(zhì)炭的長(zhǎng)期效應(yīng)缺乏系統(tǒng)研究。

4 結(jié)論

(1)干濕交替灌溉和傳統(tǒng)淹水灌溉模式所有處理中甲烷排放通量最高峰值均出現(xiàn)在插秧后第65天的拔節(jié)孕穗期，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，傳統(tǒng)淹水灌溉模式各處理甲烷排放通量較大，而干濕交替灌溉模式較小。傳統(tǒng)淹水灌溉模式氧化亞氮排放通量最高峰值在分蘗期曬田時(shí)出現(xiàn)，而干濕交替灌溉模式氧化亞氮排放通量最高峰值則在拔節(jié)孕穗期出現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式各處理氧化亞氮排放通量均明顯高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式。

(2)生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式的甲烷總排放量較傳統(tǒng)淹水灌溉顯著降低(P<0.05)，生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式氧化亞氮總排放量高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式，施加生物質(zhì)炭可以明顯減少稻田甲烷、氧化亞氮排放量。生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式所產(chǎn)生的GWP、GHGI顯著低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭可以明顯減少稻田痕量溫室氣體甲烷、氧化亞氮的GWP、GHGI。

(3)生物質(zhì)炭施用量相同時(shí)，稻作干濕交替灌溉模式的WUE顯著高于傳統(tǒng)淹水灌溉模式(P<0.05)，施加生物質(zhì)炭可以提高WUE。傳統(tǒng)淹水灌溉模式稻作對(duì)基肥-15N、蘗肥-15N、穗肥-15N的NUE隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增大。干濕交替灌溉模式對(duì)基肥-15N的NUE低于傳統(tǒng)淹水灌溉模式，適量施入生物質(zhì)炭可以增加稻株對(duì)基肥-15N的NUE；干濕交替灌溉模式適量施入生物質(zhì)炭可以增加稻株對(duì)蘗肥-15N和穗肥-15N的NUE，且相同生物質(zhì)炭施用水平下高于傳統(tǒng)淹水灌溉。

(4)干濕交替灌溉模式下稻田痕量溫室氣體的GWP與WUE、以及GWP與氮肥整體、基肥、蘗肥、穗肥的NUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；稻田痕量溫室氣體的GHGI與WUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與氮肥整體、基肥、蘗肥、穗肥的NUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。傳統(tǒng)淹水灌溉模式下稻田痕量溫室氣體的GWP與WUE、以及GWP與氮肥整體、蘗肥、穗肥的NUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥的NUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；稻田痕量溫室氣體的GHGI與WUE、以及GHGI與氮肥整體、蘗肥的NUE呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與基肥、穗肥的NUE呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。