土壤水分管理对甲烷和氧化亚氮排放的影响

康新立，华银锋，田光明，邵颖慧，牛云景

（1.山西运城市环境保护监测站，山西运城044000；2.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州310000；3.山西省运城市空港环保局，山西运城044000）

CH4和N2O不仅是重要的温室气体，而且参与大气中许多光化学反应。由于人类活动的增加，CH4和N2O在大气中的浓度分别以1.1%和 0.25%的年增长率急剧上升。研究表明，大气中的CH4和N2O79%～90%来自地表生物源，而全球水稻释放的CH4量占生物总量的33%～49%，是大气中CH4的主要来源[1]。有些研究者提出：湿地中N2O排放量的增加是目前全球N2O的一个重要组成部分[2]。由于全球水稻种植面积在迅速增加，稻田CH4和N2O的排放在全球通量变化中起着重要作用。因此制定或评介温室气体减排措施时，充分考虑二者之间的消长尤为重要。本实验从影响二者的主要因素——水分管理入手，较详细地研究稻田土壤不同水分管理条件对CH4和N2O排放的综合影响机制，寻找控制农田温室气体排放的途径。

1 实验材料和方法

1.1 供试土壤

试验土壤取自无锡水稻田，有机质含量为17.02 g/kg，全氮0.161%，容重1.053 g/cm3，总孔隙度为65.12%（风干基）、70.44%（烘干基）。土壤采集后经风干，碾碎，过10筛备用。

1.2 试验设计

取200 g土样至广口瓶（520 ml） 内培养。培养时让瓶口敞开，将可吸取土壤溶液的软橡皮管埋于土中。试验按水分管理共分3个处理，即旱地（60%～70%WFP）、淹水和干湿交替，每个处理3个重复，共9个瓶，呈随机分布。试验时间持续58 d，干湿处理的时间安排如表1所示：

表1 土样干湿处理的时间安排

作干处理时将土壤中的水分抽至60%～70% WFP。对各处理施肥的时间相同，所施肥料为尿素，两次施肥的总量为200 kgN/hm2（将1.413 g尿素溶解于500 ml容量瓶），以溶液方式施入土壤中，其中第一次为总量的60%，第二次为40%。实验保持28℃的恒温。

1.3 气体采集和分析

采样前先用橡皮塞塞住广口瓶，使瓶内土壤不与外界发生气体交换。这样密封2 h，用10 ml注射器插入橡皮塞抽取气体，注入两个5ml的青霉素小瓶内，记录塞瓶和采样的时间间隔。

CH4浓度用带有氢离子火焰检测器的气相色谱 （岛津GC-112A）分析。采用可调压的精密进样器进样，进样体积为1ml，柱温80℃，检测器温度200℃，载气为N2。

N2O浓度用HP 5890GC-ECD气相色谱，采用Ar-CH4（95:5）气作载气，流经5A分子筛、硅胶合除氧剂净化，流速30 ml/min，柱温85℃，检测器温度330℃。

1.4 Eh值的测定

土壤Eh通过插入广口瓶土壤的3支铂电极（深度为10mm），在每次气体采样的同时用便携式Eh测定计测定。

2 结果与讨论

2.1 水分管理对氧化亚氮排放的影响

图1 不同水分条件下的氧化亚氮排放

从图1可以看出，不同水分管理措施下，土壤的N2O排放特征有着明显的差异。旱地处理的土壤的N2O排放量始终是三者中最低，最低时甚至出现零排放（如第52 d、56 d、58 d），最高值出现在第37 d（6.8×10-4%）。在整个实验过程，出现的两个排放峰分别在第7 d、37 d，浓度相应为3.70×10-4%、6.83×10-4%，主要由于对土壤作了施肥处理，由此可见旱地对于N2O排放并不具有明显的贡献。淹水的土壤总共出现两个较为明显的排放高峰，在其余时间的排放量与旱地处理并没有明显差别。干湿交替的土样出现4次排放高峰，并且排放量很大，排放时间出现在第16 d、29 d、37 d、53 d，浓度分别是92.38×10-4%、21.44×10-4%、41.68×10-4%、38.23×10-4%，其排放通量在绝大部分情况下都高于其他两处理，表明干湿交替对土壤N2O的排放具有极大的促进作用，而长期淹水则有效地减少了N2O的排放。

通过以上分析，可以发现施肥和水分都对稻田N2O的排放起着重要的影响作用，水分管理引起的排放变化尤其明显。从图2可以看出，在对干湿交替的土壤样品水分排干后，N2O的排放大大增加，这与侯爱新等的实验结果一样，他们在对稻田N2O的观测中发现稻田落干后有大量的N2O排放[4]。造成这一现象的主要原因是：水层的存在减少了土壤的通透性，促进了反硝化作用；淹水期间土壤完全湿透，土壤空隙被水充满而密闭，N2O在土壤中积累，由于淹水的时间较短，不会造成N2O被大量还原成N2，这样湿土变干后，闭蓄于水和土壤中的N2O就释放出来。在第51 d左右，又有一次高峰排放（此时做了落干处理），与第二次落干（第29 d）相比排放量差异较大，前者约为后者的两倍，这种变化是由于这一次将水分彻底抽干，而第二次时土壤尚处于湿润状态，并未达到N2O产生的最佳水分条件。

淹水处理的土壤在整个实验过程中水分状况没有变化，但N2O排放还是出现了两次高低变化，这种变化正好在施肥后不久，所以可以认为淹水处理中N2O的两次高峰排放是由施肥引起的,即尿素分解过程中生成的NH3使部分微生物死亡、分解，当经过一定时间后，微生物复活，N2O生成增加；第二次出现在施肥约4 d后，比前一次提前，主要因为经过三十几天的培养，反硝化细菌已积累了足够数量，而且对环境的适应性也相应增加。大量的N2O排放需要充分的无机N和有机C的供应，因此如果施肥与灌溉或降雨同时进行或在灌溉之前施肥，将大大促进N2O的排放[5]，因此，干湿交替造成的大量排放应该看作是施肥与水分管理的双重结果。

2.2 水分管理对甲烷排放的影响

从图2可以看出：间歇淹水处理在开始时水分状况与长期淹水处理相同，两者的CH4排放量也比较接近，但是当作干处理后甲烷排放迅速降低（如在18 d左右），而持续淹水在这之后还出现了另一个排放高峰，并且在总体上排放的CH4量要高于前者。干旱土壤的CH4一直维持在稳定的水平（大约2×10-4%） 左右。通过文献[6]可知，CH4从土壤向大气排放的三个途径中，植物通气组织的运输最重要，有时可占到CH4排放总量的95%以上，而且种植水稻能促进CH4的排放，其排放速率比未种水稻的高出2～50倍。所以在种植水稻的农田，甲烷的排放量要增加许多。

图2 不同水分条件下的甲烷排放

2.3 水分管理下CH4和N2O排放的相互关系

图3 干湿交替条件下CH4和N 2O（纵坐标）

从图3可以看出CH4和N2O排放存在着一定的相互消长关系。当CH4排放处高峰时（第10～13 d、30 d、41 d、42 d、49 d、56 d），N2O排放量却处于相应时间段的低谷；而当N2O排放量增加较为明显时，CH4正处于排放的低点。通过数据分析发现，在第一次施肥前后存在着显著的相互消长关系（相关系数R2=0.609，n=10，显著性t检验，p=0.043，从第11 d起）。

Parashar等[7]通过人为控制土壤温度的方法系统研究了土壤温度与稻田甲烷排放量的关系，他们发现温度每升高一度，CH4排放量增加1.5～2.0倍，最佳温度为34.5℃。在本实验中土壤温度一直在28℃，受温度影响不大。另外，田间土壤的理化性质变化较大，与空气接触面积比实验条件下广，从而易于排放或发生氧化还原反应。

2.4 Eh变化及其对CH4和N2O排放的影响

通过图4、图5对比干旱与淹水处理的Eh与气体排放的关系，可以看出CH4和N2O排放与土壤Eh的对应关系。在Eh较低的情况下，CH4的排放较高。

3 结论

水分管理对稻田CH4和N2O排放起着重要的控制作用，N2O排放主要集中在水分变化剧烈的干湿交替阶段，只有选择合适的水分管理模式才能有效地抑制CH4和N2O的产生。

水分管理通过改变土壤Eh来影响CH4和N2O的排放量，比较前后期的排放浓度发现有机质是造成排放量发生差异的主要原因。

图4 Eh变化和甲烷排放的关系

图5 Eh对CH4和N 2O排放的影响（时间指第一次施肥后的天数）

通过瓶载试验发现稻田土壤CH4和N2O排放之间存在互为消长的关系，并为研究稻田CH4和N2O排放关系提供了实验室试验方法的参考。

[1]艾应伟，范志金.土壤生态系统的甲烷代谢及其地球循环[J].农业环境保护，1997，16（8）：138-140.

[2]蔡祖聪，徐华，卢维盛，等.冬季水分管理方式对稻田CH4排放量的影响[J].应用生态学报，1998,9（2）：171-175.

[3]颜晓元，蔡祖聪.水稻土中CH4氧化的研究[J].应用生态学报，1997，8（6）：589-594.

[4]侯爱新，陈冠雄，吴杰，等.稻田CH4和N2O排放关系及其微生物学机理和一些影响因子[J].应用生态学报，1997，8（3）：270-274.

[5]FOTCH D D，VERSTRAETE W.Biochemical ecology of chromatography-mass spectrometry for detection of concurrentmineralization and denitrification in soil[J].Advances in Microbial ecology，1977（1）：135-214.

[6]GANLI T，BOCHMAN O C.Nitrous oxide from agriculture[J].Norweigian Jof agriculture sicience，1994（12）：7-128.