寒地水稻秸秆还田和温度对稻田甲烷排放的影响

龚振平，颜双双，闫超，王家睿，战厚强

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

寒地水稻秸秆还田和温度对稻田甲烷排放的影响

龚振平，颜双双，闫超，王家睿，战厚强

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

针对寒地水稻秸秆还田，采用定位小区连续定位观测方法，研究寒地稻田甲烷排放规律，探讨水稻秸秆还田和温度对甲烷排放影响，估算水稻生长季甲烷排放量。结果表明，水稻田甲烷排放通量呈双峰变化趋势；不还田（SR0）处理甲烷排放通量与气温显著相关，与土壤温度相关不显著，低量还田（SR1）、高量还田（SR2）处理甲烷排放通量与地表温度、5、10 cm土层温度极显著相关，与气温相关不显著；不还田（SR0）、低量还田（SR1）和高量还田（SR2）的甲烷排放通量最大值和平均值与秸秆还田量拟合方程分别为y=0.519x+0.585（R2=0.999），y= 0.192x+0.350（R2=0.999），相关性显著，甲烷排放量与秸秆还田量拟合方程为y=5.055x+9.168（R2=0.999），相关性显著，甲烷排放通量和甲烷排放量随秸秆还田量增加而升高。

寒地稻田；水稻秸秆还田；甲烷排放；温度

网络出版时间2015-12-25 13:10:24[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151225.1310.010.html

龚振平,颜双双,闫超,等.寒地水稻秸秆还田和温度对稻田甲烷排放的影响[J].东北农业大学学报,2015,46(12):8-15.

Gong Zhenping,Yan Shuangshuang,Yan Chao,et al.Effect of rice straw retention and temperature on methane emission in rice field in cold region[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(12):8-15.(in Chinese with English abstract)

Effect of rice straw retention and temperature on methane emission inrice field in cold region

甲烷是重要温室气体，温室效应仅次于CO2，甲烷单分子增温潜能为CO225倍[1]。稻田甲烷排放是大气中甲烷重要来源之一[2-3]，水稻秸秆中含有丰富有机质和氮、磷、钾等营养物质，合理的水稻秸秆还田可改善土壤理化性质，提高土壤养分含量，增加作物产量[4-6]，避免秸秆焚烧造成环境污染[7]，但秸秆还田也会增加稻田甲烷排放。秦晓波等研究发现，双季稻田水稻秸秆还田后甲烷排放通量高达134.79%[8]。Zou等试验结果表明，在持续淹水的稻田中秸秆还田处理后甲烷排放量增加160%[9]。目前稻田甲烷排放研究多集中在中国南方水稻种植区，寒地水稻田研究较少。本试验通过连续定位观测方法，研究寒地水稻秸秆还田对稻田甲烷排放影响，稻田甲烷排放与气温和土壤温度关系，为探索寒地水稻田甲烷排放规律和估算排放量提供理论参考。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验为东北农业大学香坊实验实习基地，位于黑龙江省哈尔滨市近郊，地理坐标为东经126° 22'～126°50'，北纬45°34'～45°46'。属于温带大陆性气候，四季分明，年降水量500～550 mm，无霜期140 d，≥10℃积温2 700℃。水稻一年一熟，采用连作方式，供试土壤为常年种植水稻的水稻土。

1.2试验设计

试验时间为2012～2014年，采用小区试验，混凝土筑成2 m×2 m×0.6 m小区，填50 cm厚供试土壤。土壤基础肥力为：有机质26.2 g·kg-1，全氮0.22 g·kg-1，全磷0.17 g·kg-1，全钾66.10 g·kg-1，硝态氮（NO3-N）46.29 mg·kg-1，铵态氮（NH4+-N）32.48 mg·kg-1，速效磷35.31 mg·kg-1，速效钾286.73 mg·kg-1。设置3个处理，分别为水稻秸秆不还田（SR0）、低量还田（SR1）、高量还田（SR2）。将水稻秸秆截成5 cm小段，翻埋方式还田，处理随机排列，每个处理3次重复，低量还田处理每小区秸秆还田量为2.5 kg（6.25 t·hm-2），高量还田处理每小区秸秆还田量为5 kg（12.50 t·hm-2）。供试水稻品种是松粳6号，每年5月20日翻地，5月25日泡田，5月30日插秧，插秧规格为30 cm×13 cm× 3株·穴-1。每小区施入尿素60 g（N：46%，150 kg·hm-2）、磷酸氢二铵60 g（N：18%，P2O5：46%，150 kg·hm-2）和硫酸钾40 g（K2O：30%，100 kg·hm-2）作为基肥，并在分蘖期追施尿素60 g（N：46%，150 kg·hm-2），其他管理措施与大田生产相同。试验于5月29日开始采集气体，之后每10 d取样1次，至9月16日结束，共取样12次。HOBO数据采集器采集空气和土壤温度数据，其中一个传感探头于百叶箱中读取并记录空气温度，另3个传感探头埋在土壤表层、5和10 cm土层，用于测定水田土壤地表、5和10 cm土层温度。

1.3甲烷取样与测定

静态箱法甲烷取样，装置主要包括静态箱和底座。底座长期埋在田间，由不锈钢制成，规格为40 cm×30 cm×5 cm，插秧前埋入田间，并在其中插入3穴水稻，底座埋入土中3 cm，2 cm水槽留在土壤上面。静态箱可移动，规格为40 cm×30 cm× 100 cm，顶部安装微型风扇，取样时连接电池以混匀气体。取样时间为上午10:00～11:00[10]，取样前确认底座水槽内有水，利用水封原理保证箱体与底座处于密封状态。放好静态箱后计时，在第0、30和60 min采样，用100 mL注射器将箱内气体转移至铝箔采样袋中。采集的气体样品及时带回实验室，用上海天美科学仪器有限公司生产的GC-7900气象色谱仪分析测定甲烷浓度，计算浓度随时间变化率，甲烷排放通量计算公式如下[11]：

式中，F-被测气体排放通量，V-箱内空气体积，A-箱子覆盖的面积，Ct-t时刻内目标气体的体积混合比浓度，t-时间，ρ-标准状态下被测气体密度，T0和P0分别是标准状态下空气绝对温度和气压，P-采样地点气压，T-采样时绝对温度。

1.4甲烷排放量估算

1.5数据分析

采用SPSS 17.0和Excel 2003作数据统计分析。

2　结果与分析

2.1水稻秸秆还田对稻田甲烷排放规律影响

比较2012～2014年稻田甲烷排放通量，分析甲烷排放通量季节变化规律、年际间差异，及水稻秸秆还田对甲烷排放规律影响，结果如图1所示。由图1可知，3处理在三年期间甲烷排放通量季节变化规律一致。插秧初期甲烷排放通量较低，随水稻生长，甲烷排放通量呈增-减-增-减双峰变化趋势，排放通量较大的时间主要为6月18日～8月17日，与气温和土壤温度变化一致。

甲烷排放通量在出峰时间和峰值上年际间存在差异。SR1、SR2处理甲烷排放通量试验三年间均在6月18日达到第一个峰值，处理间差异显著，年际间峰值大小不同。2012年SR1、SR2甲烷排放通量最大值分别为（3.34±0.27）和（5.80±0.28）mg·m-2·h-1，SR2是SR1的1.74倍；2013年SR1、SR2甲烷排放通量最大值分别为（3.95±0.51和（8.19±0.12）mg·m-2·h-1，SR2是SR1的2.07倍；2014年SR1、SR2甲烷排放通量最大值分别为（3.87±0.70）和（7.40±0.20）mg·m-2·h-1，SR2是SR1的1.91倍，秸秆还田显著增加稻田甲烷排放通量。SR0甲烷排放通量一直处于较低水平，2012～2014年第一个峰值均出现在7月8日分蘖盛期，甲烷排放通量分别为（0.51±0.08）、（0.54± 0.12）、（0.61±0.03）mg·m-2·h-1。之后甲烷排放通量逐渐降低并再次升高达到第二个峰值，甲烷排放通量均低于第一个峰值，SR1、SR2处理2012、2013年均在7月28日达到第二个峰值，2014年在7月18日达到第二个峰值，SR0第二个峰值出现在8月17日。随后甲烷排放通量开始阶段性下降，9月初排水晒田，各处理甲烷排放通量迅速降低。

图1　水稻田甲烷排放通量变化动态Fig.1Variation in methane emission rates from paddy fields

2.2温度对稻田甲烷排放通量影响

对甲烷排放通量和取样期间气温、地表温度、5和10 cm土层温度作相关性分析，相关系数如表1所示。

由表1可以看出，SR0处理甲烷排放通量与气温显著相关，与土壤温度相关性未达到显著水平，SR1、SR2处理甲烷排放通量与地表温度、5、10 cm土层温度极显著相关，相关系数为地表温度＞5 cm土层温度＞10 cm土层温度，而与气温相关不显著。水稻秸秆还田改变甲烷排放通量与气温和土壤温度相关性。

2.3水稻秸秆还田对甲烷排放通量影响

比较不同处理甲烷排放通量，分析秸秆还田对甲烷排放通量最大值和平均值影响，比较结果见表2。

从表2可知，2012～2014年，各处理甲烷排放通量最大值年际间存在差异，SR0、SR1处理差异较小，SR2差异较大，可能由于年际间气候、水稻生长状况等条件不一致导致甲烷排放通量差异。SR0、SR1和SR2甲烷排放通量最大值与平均值均表现为SR2＞SR1＞SR0，SR2甲烷排放通量最大值是SR1的1.92倍，SR0的11.14倍，SR1是SR0的5.81倍；SR2甲烷排放通量平均值是SR1的1.72倍，SR0的8.27倍，SR1是SR0的4.81倍，各处理间差异显著。说明水稻秸秆还田显著增加稻田甲烷排放，甲烷排放通量随水稻秸秆还田量增加而上升。

表1　甲烷排放通量与气温和土壤温度相关系数Table 1Correlation coefficients of methane emission rates and air and soil temperature

表2　水稻田甲烷排放通量处理间比较Table 2Comparison of methane emission rates between different treatments in rice field

对取样期间甲烷排放通量最大值、平均值和水稻秸秆还田量作回归分析，结果如图2所示。

由图2可知，甲烷排放通量最大值和平均值与秸秆还田量拟合方程分别为y=0.519x+0.585，R2= 0.999；y=0.192x+0.350，R2=0.999，x为秸秆还田量（t·hm-2），相关性显著。由方程可知，秸秆还田量每增施1 t·hm-2，甲烷排放通量最大值、平均值分别增加0.519和0.192 mg·m-2·h-1，说明稻田甲烷排放通量与水稻秸秆还田量呈线性关系，甲烷排放通量随秸秆还田量增加而上升。

2.4甲烷排放量估算

根据Naser等方法估算2012～2014年稻田甲烷排放量[12]，结果如表3所示。

由表3可知，SR0、SR1、SR2处理间甲烷排放量差异显著，SR0、SR1、SR2甲烷排放量年际间存在差异，甲烷排放量的平均值分别为8.67、41.76、71.86 kg·hm-2·a-1，排放量为SR2＞SR1＞SR0，SR2甲烷排放量是SR1的1.72倍，是SR0的8.26倍，SR1是SR0的4.82倍。

对取样期间秸秆还田量与甲烷排放量作回归分析，结果如图3所示。

由图3可知，甲烷排放量与秸秆还田量显著相关，拟合方程为y=5.055x+9.168，R2=0.999；其中x为秸秆还田量（t·hm-2）。由方程可知，水稻秸秆还田量增加1 t·hm-2，甲烷排放量增加5.055 kg·hm-2·年-1，水稻秸秆还田增加稻田甲烷排放量，甲烷排放量随秸秆还田量的增加而上升；同时增加甲烷排放量占秸秆重量的5.055‰。

图2　甲烷排放通量最大值和平均值与秸秆还田量关系Fig.2Relationship between the maximum and average methane emission rates and straw retention amount

处理Treatment SR0SR1SR22012 8.93 37.01 81.18 2013 8.52 51.91 75.04 2014 8.57 36.37 59.35平均值Average 8.67±0.13c 41.76±5.08b 71.86±6.50a

表3　甲烷排放量估算Table 3Estimate of total methane emission(kg·hm-2·年-1)

图3　甲烷排放量与秸秆还田量的关系Fig.3Relationship between methane emission and straw retention amount

3　讨论

3.1水稻秸秆还田对稻田甲烷排放规律影响

本试验中水稻生育期内甲烷排放通量共出现两个排放峰值，分别在6月中旬和7月末至8月初，第一个排放峰值显著高于第二个峰值，与Hang等研究结果一致[13]。胡宏祥等、戴志刚等研究发现，水稻秸秆还田后腐解速率前期快后期慢，前30 d是秸秆快速腐解期，秸秆中可溶性有机物如多糖、氨基酸等以无机养分形式释放到土壤中，还田秸秆为产甲烷菌等微生物提供大量碳源和养分，使微生物数量增多，活性增强，甲烷产生量迅速增加[5,14]。SR0在7月8日达到甲烷排放通量最大值。此时水稻处于分蘖盛期，水稻光合作用最强，生长旺盛，合成的光合产物较多，根系分泌物增加为微生物提供大量营养物质，甲烷产生量增加[15]，水稻通气组织发达，导致甲烷排放通量增加，与Neue等研究结果[16]一致，甲烷排放通量第一个峰值在淹水后4周内出现，主要由于水稻秸秆还入，没有有机物还入的处理在水稻生长早期甲烷排放通量逐渐增加。SR1和SR2处理第二个峰值出现在抽穗扬花期，此时释放到土壤中的水稻根系分泌物最多[17]，SR0第二个峰值出现在灌浆期，水稻处于生殖期和成熟期，主要是由于根系分泌物和水稻根系的腐败为产甲烷菌提供基质[12]，导致第二个排放高峰出现，SR1、SR2和SR0峰值出现时间的差异可能是秸秆还田导致。秦晓波等研究发现，湖南省早稻田甲烷排放通量呈双峰型，晚稻呈单峰型[9]；Naser等研究认为，甲烷排放通量呈单峰变化，排放峰值出现在水稻生殖生长末期[12]。Watanabe等[24]研究发现，水稻生育时期秸秆不还田处理甲烷排放通量仅出现一个排放峰值，秸秆还田量处理甲烷排放通量均出现三个排放峰值。与本试验结果存在差异，可能是水稻种植管理、秸秆还田方式和种植区域的地理环境等不同造成。

3.2温度对稻田甲烷排放通量影响

温度影响甲烷产生和排放，稻田甲烷排放通量与气温和土壤温度密切相关。本试验结果表明，SR0甲烷排放通量与气温显著相关，与土壤温度相关不显著，SR1、SR2处理甲烷排放通量与土壤温度极显著相关，与气温不相关，不同试验处理与温度的相关性存在差异。Huang等研究表明，稻田甲烷排放通量与温度呈正相关，0～5 cm土层产甲烷活性高于深层土壤[18]。韩广轩等的川中丘陵地区水稻田研究也表明，甲烷排放通量与5 cm深处土壤温度呈显著相关[19]。与试验中秸秆不还田处理与温度相关性结果不同，王娟等研究发现，普通稻田甲烷排放通量与大气温度显著正相关，与5、10 cm土壤温度显著相关[20]。本试验发现不还田、还田秸秆处理与气温和土壤温度的相关性不同，陈苇等认为不还田与还田秸秆处理甲烷排放速率的昼夜变化与气温、土层5及10 cm温度的变化均呈极显著相关,其中土层5 cm处温度与甲烷排放速率的相关性最高，不同试验处理间无差异[21]。徐华等研究表明，稻田甲烷排放通量与温度不显著相关，仅在较短时间尺度内（如泡水后60 d及150 d附近）土壤温度与甲烷排放通量间具有相关性，水稻整个生长周期则无相关性[22]。与本试验结果差异的存在原因可能是试验地气候与土壤条件不同，若土壤温度变化较明显，且有机质供应充足，则甲烷季节排放通量与空气、土壤温度有较好相关性[23]。

3.3水稻秸秆还田对稻田甲烷排放通量影响

水稻秸秆还田显著增加稻田甲烷排放，SR2处理甲烷排放通量平均值是SR1的1.72倍，SR0的8.27倍，SR1是SR0的4.81倍，各处理间差异显著，甲烷排放通量随秸秆还田量增加而上升。甲烷排放通量最大值和平均值与秸秆还田量拟合方程分别为y=0.519x+0.585，R2=0.999；y=0.192x+0.350，R2= 0.999，相关性显著。Watanabe等采用盆栽种植水稻，用13C标记还田稻草，还入稻草量分别相当于2、4和6 t·hm-1，甲烷排放量分别增加19%、97%和228%[24]。Naser等在日本北海道中部水稻田研究发现，水稻秸秆还田增加稻田甲烷排放通量，甲烷排放通量与水稻秸秆还田量呈显著正相关[12]。Yagi等在日本水稻田试验发现，水稻秸秆还田小区甲烷排放通量一直高于化肥施用的小区，甲烷排放通量随水稻秸秆还田量增加而增加[25]。不同研究结果中秸秆还田量相同时，甲烷排放通量增加值不同，本试验中秸秆还田量每增加1 t·hm-2，甲烷排放通量最大值、平均值分别增加0.519和0.192 mg·m-2·h-1。

3.4水稻秸秆还田量与甲烷排放量的关系

甲烷排放量与水稻秸秆还田量拟合方程为y= 5.055x+9.168，R2=0.999，P＜0.05；甲烷排放量随水稻秸秆还田量增加而上升，秸秆还田量增加1 t·hm-2，甲烷排放量增加5.055 kg·hm-2·年-1，与秸秆焚烧甲烷排放因子0.72 g·kg-1相比[26]，水稻秸秆还田增加的甲烷排放量高于秸秆焚烧。Das等研究发现，秸秆+氮肥处理甲烷累积排放量比不施肥处理增加82.7%[27]。Yagi等研究发现，水稻秸秆施用显著增加甲烷排放量，在施用相同数量化肥的小区，水稻秸秆还田量为6～9 t·hm-2的小区一年甲烷排放量比只施用化肥的小区增加1.8～3.5倍[25]。Naser等对日本北海道5块不同水稻田研究发现，总施用碳与甲烷排放量呈显著正相关，拟合方程为y= 0.486x-1.644，R2=0.884，P＜0.05[12]。Wang等在水稻秸秆与土壤混合后加水，密封培养45 d后甲烷排放总量与秸秆施用的百分率关系为y=691.1x+22.8[28]，与本试验结果基本一致。不同之处是秸秆还田量相同时不同地区甲烷排放量增加值不同，导致差异的原因主要有气候、农业栽培措施和土壤特性等不同。本试验结果表明寒地稻田秸秆还田增加甲烷排放量，甲烷排放量随秸秆还田量增加而上升。

4　结论

水稻田甲烷排放通量季节变化呈增-减-增-减双峰变化趋势，年际间季节变化规律一致。不还田（SR0）处理甲烷排放通量与气温显著相关，与土壤温度相关性未达到显著水平，低量还田（SR1）、高量还田（SR2）处理甲烷排放通量与地表温度、5和10 cm土壤温度极显著相关，而与气温相关不显著。低量还田（SR1）与高量还田（SR2）处理甲烷排放通量最大值出现在6月18日，不还田（SR0）处理甲烷排放通量最大值出现在7月8日，年际间峰值存在差异，处理间差异显著。甲烷排放通量最大值和平均值均表现为SR2＞SR1＞SR0，水稻秸秆还田增加稻田甲烷排放通量，甲烷排放通量随水稻秸秆还田量增加而升高。对水稻生育期甲烷排放量估算，甲烷排放量为SR2＞SR1＞SR0，水稻秸秆还田增加稻田甲烷排放量，甲烷排放量随秸秆还田量增加而升高。

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GONG Zhenping,YAN Shuangshuang,YAN Chao,WANG Jiarui,
ZHAN Houqiang(School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

A large amount of rice straw was produced along with the increasing rice area, reasonable rice straw retention resolved the remaining issues,but it increased methane emission in rice field.This experiment was investigated based on continuous observation information in location plots, studied the law of methane emission and the effects of rice straw application and temperature on methane emission in cold rice region,and estimated total CH4emission during the cropping season. The results showed that the methane emission rates trend showed double peaks.In the straw removal (S0)treatment,methane emission rates were significant correlation with air temperature and not significant correlation with soil temperature.In the high amount of straw retention(S2)and low amount of straw retention(S1)treatment,methane emission rates were highly significant correlation with the temperature of soil surface,and at 5,10 cm depth,but not significant correlation with air temperature. The fitted equations of methane emission rates maximum and average values,and straw retention amount werey=0.519x+0.585(R2=0.999),y=0.192x+0.350(R2=0.999),significant correlation.The fitted equation of total methane emission and straw retention amount wasy=5.055x+9.168(R2=0.999),significant correlation.The methane emission rates and total methane emission were increased as the increasing amount of rice straw retention.

rice field in cold region;rice straw retention;methane emission;temperature

S511

A

1005-9369（2015）12-0008-08

2015-05-16

国家科技支撑计划项目（2012BAD14B06）

龚振平（1966-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为保护性耕作及大豆生理。E-mail:gzpyx2004@163.com