铁炉渣对稻田土壤甲烷传输释放的影响研究

王 纯，王维奇，2，李鹏飞

（1.福建师范大学 亚热带湿地研究中心，福建 福州 350007；2.福建师范大学 地理研究所，福建 福州 350007）

生物源的甲烷排放可达到全球甲烷总排放量的70%，其中稻田是甲烷排放的主要人为源，其贡献率约为全球人为甲烷排放源的26%［1］。世界上一半以上的人口以稻米作为食物，随着人口的增加，水稻生产将不断扩大。据报道，水稻生产将从1990年的4.73×108t增加到2020年的7.81×108t［2］，相应的甲烷排放量将增加40%～50%［3］，这将加速全球变暖。因此，解决稻田甲烷排放增加与水稻生长扩大之间的矛盾意义重大。

电子受体可以通过抑制产甲烷菌的活性、与产甲烷菌竞争底物以及提高产甲烷生境的氧化还原电位等途径调节产甲烷过程，但相关研究甚少［4］。在诸多电子受体之中，铁受体因其在土壤中的数量较多且在稻田排干后的可再生特性，使其在稻田甲烷减排过程中得到重视［5］。铁炉渣作为钢铁工业的废弃物，含有丰富的铁受体。Ali等［6－7］在韩国开展的实验表明，铁炉渣可使稻田甲烷排放减排16%～20%，与此同时，稻谷产量提高了13%～18%，但关于其施加后对稻田甲烷传输释放途径的影响研究尚未见报道。基于此，本研究开展了铁炉渣施加对稻田甲烷传输释放的影响研究，以期从机制上解释铁炉渣施加控制稻田甲烷排放的关键过程。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样点

研究区位于闽江河口区福州平原的南分支——乌龙江的北岸，属亚热带季风气候，年均气温为19.6℃，年均降水量为1 392.5mm，蒸发量为1 413.7mm，相对湿度为77.6%，地貌主要为冲积平原，地表平坦，海拔3～5m，零星分布剥蚀丘陵地貌［8］。实验区（图1）位于福建省农科院水稻所吴凤综合实验基地（26.1°N，119.3°E）内［9］，该实验基地共有稻田7hm2［10］。土壤耕作层有机碳含量为18.11g／kg，全氮1.28g／kg，全磷1.07g／kg。实验区内主要实行早稻—晚稻—蔬菜的轮作制度，本实验点的前茬作物为花菜，实验前对翻耕后的田地进行人工整平，以保持土壤的均一性。实验始于2011年4月中旬，至同年7月中旬收获结束。实验稻田为早稻田，水稻栽培品种为江西省农科院研发的和盛10号，4月16日机插移栽，机插采用春苗插秧机，株行距14cm×28cm，施用底肥为复合肥和尿素，复合肥中N、P2O5、K2O分别为kg／hm2，尿素 N为25kg／hm2；蘖肥在约1周后施加，复合肥中 N、P2O5、K2O分别为20kg／hm2，尿素 N 为15kg／hm2；穗肥约在8周后施加，复合肥中 N、P2O5分别为10kg／ha2，尿素 N 为8kg／hm2。水稻生长期基本处于淹水状态，水深约5～7cm，水稻成熟时晒田。

图1 采样点位置图

在实验区选择相对平整的稻田，设置：对照样地（不加铁炉渣）、2Mg／hm2、4Mg／hm2和8Mg／hm2的铁炉渣施加样地，并在水稻移栽前将铁炉渣施加到实验田里。每个处理样地长和宽为4m×3m，并用PVC板隔离，防止实验田间水体、物质互相流通交换。各处理设置3个重复，每个静态箱底座里应包含有2株植物体长势相似的水稻苗，以保证测量数据的准确性。在测定过程中，为了减少人为干扰，实验均在人工搭设的栈桥上进行。

1.2 气体采集与分析方法

采用静态箱法——气相色谱法对稻田甲烷传输释放进行测定。静态箱由顶箱和底座两部分组成，顶箱长宽高分别为0.3m×0.3m×1.0m（顶端安装有小风扇并具温度计插孔），侧面有抽气孔；底座长宽高分别为0.3m×0.3m×0.3m（具凹槽），并在整个生长期固定在样地内。采样时间一般选在09：00—13：00，参照王明星等［11］甲烷传输的测定方法，对甲烷气泡传输、扩散传输和植物体传输释放甲烷通量进行测定。甲烷通量的测定采用静态箱法直接测定，盖上顶箱后立刻用100 mL注射器抽取甲烷气体70mL，并打入气袋内，后每隔15min再抽取1次样品，共抽取3次，在抽气过程中保持匀速，同时在底座凹槽内加水密封，防止静态箱内甲烷气体外泄，甲烷传输释放实验为15天测定1次，同步采用孔隙水采样器采集稻田孔隙水。

采集的甲烷气样用日本岛津公司生产的气相色谱仪（GC－2014）进行分析。甲烷检测器为FID，色谱柱为5A分子筛，进样口温度为60℃，检测器温度为200℃，柱箱温度为80℃，载气为高纯氦气，流速为30 mL／min，用中国计量科学研究院生产的CH4标气进行校准。通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体的浓度。气体通量Q的计算公式为

其中：Q为甲烷传输释放通量（mg／（m2·h））；M为每摩尔甲烷的质量（g）；V为标准状态下1摩尔甲烷气体的体积（L）；H为静态箱高度；dc／dt为单位时间采气箱内甲烷气体浓度的变化率（μmol／（mol·h））；θ为静态箱内温度（℃）。

孔隙水中甲烷浓度c计算式［12］：

c／（μmol·L－1）＝ ［（ch×Vh）／22.4］／Vp

式中，ch为小瓶上部空间甲烷浓度（μL／L），Vh为小瓶上部空间体积（mL），Vp为小瓶里孔隙水体积（mL）。

1.3 数据处理

应用Excel 2003和SPSS 13.0统计分析软件对测定数据进行整理。原始数据的平均值及标准差的计算采用 Excel 2003，采用 SPSS 13.0 中 One－Way ANONY对不同炉渣施加量比例下稻田甲烷传输释放的差异性进行检验，显著性水平P＜0.05表示呈显著差异，P＜0.01表示间呈极显著差异。

2 结果分析

2.1 铁炉渣施加对稻田土壤孔隙水甲烷浓度的影响

稻田对照样地和2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加样地土壤孔隙水甲烷浓度分别为0.02～0.56、0.01～0.51、0.03～0.30、0.08～0.47μmol／L，平均值分别为0.29、0.21、0.16、0.23μmol／L，由此可见，铁炉渣的施加降低了孔隙水甲烷浓度，对照样地和2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加样地土壤孔隙水甲烷浓度减少比例分别为27.6%、44.8%和20.7%，但并未表现为随着铁炉渣施加量的增加，甲烷浓度逐渐减小的趋势。由于后期排干晒田，孔隙水很少，注射器无法抽到足够量的孔隙水，所以实验仅进行到第71天。从图2中可以看出，随着水稻的生长，土壤孔隙水中的甲烷浓度也在逐渐升高，铁炉渣施加在水稻生长前期（1—29天）对孔隙水中甲烷浓度影响不太显著，但从第43天开始，添加铁炉渣的样地中土壤孔隙水甲烷浓度明显减少了。

图2 稻田土壤孔隙水中甲烷浓度变化

2.2 铁炉渣施加对稻田气泡传输释放甲烷的影响

稻田对照样地和2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加样地气泡传输释放甲烷分别为0.02～1.36、0.02～0.51、0.02～0.53、0.04～0.27Mg／hm2，平均值分别为0.63、0.21、0.16、0.17mg／（hm2），铁炉渣添加后甲烷的气泡传输量降低了，2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加样地气泡传输释放甲烷减小比例分别为66.7%、74.6%、73.0%。从减小比例看，铁炉渣的施加明显降低了气泡传输释放甲烷量（P＜0.05）。从气泡传输释放甲烷的效率看，在水稻移栽初期和成熟期气泡传输释放甲烷效率较低，而在植株旺盛生长阶段气泡传输释放甲烷效率相对较高（见图3）。

图3 稻田气泡传输释放甲烷变化

2.3 铁炉渣施加对稻田扩散传输释放甲烷的影响

稻田对照样地和2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加样地扩散传输释放甲烷分别为0.01～0.21、0.01～0.22、0.01～0.17、0.01～0.22mg／（m2h），平均值分别为0.07、0.12、0.07、0.09mg／（m2h）。可见铁炉渣添加后甲烷的扩散传输量并未减少。从稻田扩散传输释放甲烷来看，一直维持在较低的传输释放水平，特别是在水稻移栽初期更低（图见4）。

图4 稻田扩散传输释放甲烷变化

2.4 铁炉渣施加对稻田植物体传输释放甲烷的影响

稻田对照样地和2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加后稻田植物体传输释放甲烷分别为0.01～7.02、0.01～6.77、0.01～5.99、0.01～4.77mg／（m2h），平均值为3.47、2.89、2.27、1.87mg／（m2h），随着炉渣添加量的增加而相应减少，2、4、8Mg／hm2铁炉渣施加样地植物体传输释放甲烷减小比例分别为16.8%、34.6%、46.1%。从减小比例看，铁炉渣的施加明显降低了植物体传输释放甲烷量（P＜0.05）。从水稻移栽15天后进入快速分蘖期开始，4块样地的甲烷植物体传输开始出现明显差异，一直到水稻成熟期，甲烷植物体传输量都是对照最高，到水稻收割后各处理植物体传输量均急剧降低（见图5）。

图5 稻田植物体传输释放甲烷变化

3 结论与讨论

孔隙水中的甲烷浓度代表了甲烷在土壤中的存量［13］，也是甲烷得以释放的前提。在本研究中，铁炉渣的施加降低了稻田孔隙水中的甲烷浓度，这可能与铁炉渣施加后，因富含铁类物质降低了甲烷的产生量有关。铁炉渣施加对气泡传输释放甲烷的影响表现为抑制作用，原因是铁炉渣颗粒物质的施加，相当于增加了吸附剂的数量，这些物质在气泡释放到大气之前被吸附，使得最终排放到大气环境中的甲烷不断降低。铁炉渣施加后对稻田扩散传输释放甲烷的影响不大，但对植物体传输释放甲烷的影响最为明显，随着铁炉渣施加量的增加，植物体传输释放甲烷量不断降低，这主要是因为铁炉渣中含有铁锰等物质，在其施加后，增加了土壤中铁锰物质的含量，从而增强了水稻根系铁锰结合的形成量，最终阻碍了气体从土壤向植物体内进入的通道，并最终导致了植物体甲烷传输释放量的明显降低。

另外，我们还探讨了铁炉渣施加后控制稻田甲烷传输释放的关键过程（见图6）。从图6中可以看出，植物体传输释放甲烷与铁炉渣施加量的相关性较为密切，其次是气泡传输释放甲烷途径，而扩散传输释放甲烷与铁炉渣施加并未表现出明显的相关关系。因此，可以初步得出这样的结论：铁炉渣施加控制稻田甲烷排放更重要的是通过调节植物体和气泡传输释放甲烷途径实现的，但由于植物体传输释放甲烷在甲烷排放中贡献最大，因此其传输释放甲烷量的降低也成为了铁炉渣施加后稻田甲烷排放量降低的决定性过程。

图6 铁炉渣施加对稻田甲烷通量的影响

致谢：本研究在野外采样和室内样品分析过程中得到了福建师范大学马永跃、章文龙、何清华、张子川、杨平、张永勋同学的帮助，在此一并表示深深的感谢。

（References）

［1］Neue H U，Roger P A.Rice agriculture：factors affecting methane emissions［G］.Atmospheric methane：sources，sinks and role in global change.Springer，Berlin，1993：254 298.

［2］International Rice Research Institute（IRRI）.IRRI Toward 2000 and Beyond［M］.IRRI，Manila，Philippines，1989.

［3］Anastasi C，Dowding M，Simpson V J.Future CH4emissions from rice production［J］.Journal of Geophysical Research，1992，97：7521－7525.

［4］Watanabe A，Kimura M.Influence of chemical properties of soils on methane emissions from rice paddies［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis，1999，30：2449 2463.

［5］Neubauer S C，Toledo－Duran G E，Emerson D.Returning to their roots：iron－oxidizing bacteria enhance short－term plaque formation in the wetland－plant rhizosphere［J］.Geomicrobiology Journal，2007，24：65 73.

［6］Ali M A，Lee C H，Kim P J.Effect of silicate fertilizer on reducing methane emission during rice cultivation［J］.Biology and Fertility of Soils，2008，44：597 604.

［7］Ali M A，Oh J H，Kim P J.Evaluation of silicate iron slag amendment on reducing methane emission from flood water rice farming［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2008，128：21－26.

［8］陈世亮.福州南台岛地热前景浅析［J］.福建地质，2009，28（4）：310－314.

［9］韩兰芝，侯茂林，吴孔明，等.转cry1Ac＋CpTI基因水稻对大螟的致死和亚致死效应［J］.中国农业科学，2009，42（2）：523－531.

［10］张数标，吴华聪，张琳.水稻耕种作业机械化技术体系研究［J］.福建农业科技，2007（4）：73－74.

［11］王明星.中国稻田甲烷排放［M］.北京：科学出版社，2001.

［12］仝川，曾从盛，王维奇，等.闽江河口芦苇潮汐湿地甲烷通量及主要影响因子［J］.环境科学学报，2009，29（1）：207－216.

［13］Van der Nat F J W A，Middelburg J J.Methane emission from tidal freshwater marshes［J］.Biogeochemistry，2000，49：103－121.