变更施肥管理对不同肥力水稻土CH4排放影响

付薇薇+尹力初+张蕾+王泽浩

摘要：基于30年水稻土长期定位试验，在原有定位试验正常进行的前提下，将其中一部分处理变更施肥，得到两种新处理：常量有机肥改为化肥（N-C）、化肥改为常量有机肥（C-N），及两种原有处理：化肥（CF）、常量有机肥（NOM），共4个处理、通过观测一年水稻轮作周期内不同处理的CH4排放通量，研究后续施肥对不同肥力水稻土CH4排放的影响。结果表明：施用有机肥能显著增加CH4排放量，而化肥对CH4排放影响甚小；在不同有机碳水平的水稻土上施用等量相同肥料，有机碳含量高的水稻土更有利于CH4的产生；CH4季节排放与温度有显著相关性，但与水层深度不存在简单的相关关系。

关键词：CH4排放；变更施肥；土壤有机碳；水稻土；环境因素

中图分类号：S152.6+S155.2+92文献标识号：A文章编号：1001-4942（2015）04-007l-05

甲烷（CH4）是重要的温室气体之一[1]，其增温潜势是CO2的25倍[2]，约占温室气体对全球气候变暖贡献总份额的15￥～20%[3，4]。稻田对CH4排放的贡献很大，是CH4主要的人为排放源，据估算，稻田CH4的排放量占大气CH4总来源的15%左右[5]、稻田CH4排放不仅是中国最主要的CH4排放源之一，也是全球大气CH4的一个重要排放源，因此，研究中国稻田CH4排放对于研究全球碳收支和气候变化有特别重要的意义[6]。施肥措施是影响稻田CH4排放且能人为控制的因素之一，近年来，国内外研究者普遍认为有机肥能明显增加稻田CH4排放，并且随土壤有机碳含量高低的不同，有机肥的施用对稻田CH4排放的影响也不同[7]；稻田施用化肥的CH4排放明显低于各种有机肥，但是化肥对稻田CH4排放影响结果很不一致，甚至相反[5，7]。目前有关土壤培肥过程中施肥对CH4排放规律影响的研究多是利用长期定位试验来完成，但是对于已培肥红壤性水稻土后续施肥对CH4排放的影响少有报道。本试验利用一个已有30年历史的水稻土土壤肥力长期定位试验下的不同有机肥施用量处理，在保证原有定位试验继续开展的前提下，变更原有施肥处理的部分平行，研究不同后续施肥管理下已培肥水稻土CH4排放的变化规律，探讨不同肥力水稻土改变施肥措施对CH4排放的影响，以期为已培肥水稻土CH4减排提供合理的施肥依据。

收稿日期：2015-01-23

基金项目：湖南省研究生科研创新项目（CX2012B287）

1材料与方法

1.1长期定位试验及其变更

该定位试验设在湖南农业大学校园内，四周及顶部围有永久性不锈钢围网，占地面积128m2，种植小区供试面积1.44m2，池深1.5m，底层铺15cm厚的卵石与粗砂。供试土壤为湖南农业大学校内长期定位试验中2种长期不同施肥处理水稻土，分别为：化肥处理（CF），常量有机肥处理（NOM）。定位试验开始前一年把耕性红壤分层填人，然后淹水种稻。试验从1982年春季开始淹水种稻连续进行至今，水耕熟化30年后，原定位试验中CF、NOM处理土壤有机碳含量分别为14.45、18.67g·kg-1。在较高生产力水平下红壤稻田有机碳平衡值为19g·kg-1[8]，由此可判断NOM处理水稻土有机碳基本达到较高生产力水平下的平衡值，而CF处理则未达到，处于不饱和状态。

其中CF有6次重复，NOM有12次重复。在本试验开展前从“常量有机肥处理”中随机选取3个小区，变更为“化肥处理”，得到常改化处理（N-C），同时从“化肥处理”中随机选择3个小区变更为“常量有机肥处理”，得到化改常处理（C-N），利用新增加的这两个处理和原有的两个处理（CF、NOM）进行试验。其中，各处理的N、P、K养分量与原有长期定位试验保持一致，但有机肥源统一变更为粉碎的玉米（C4作物）秸秆。化肥和有机肥均在水稻移栽前一次性施入土壤。

1.2CH4样品的采集、测定与计算

于2012～2013年度在小区中采用静态箱法采集CH4气体样品。在2012年种植早、晚稻前翻耕土壤并施肥，于每季水稻移栽前安置PVC采样箱，采样箱中不种植水稻。箱高30cm，底面积30cm×10cm=300cm2，底座高20cm，插入犁底层以阻止水稻根系进入采样箱区域的土壤。水稻移栽后第3天开始采集气样，采样时间为上午8：00～10：00之间，每周采集1次样品，每间隔10min用注射器抽取箱内气体1次，共4次。如遇不适天气则适当调整采样时间间隔。气体采集后立即带回实验室，使用气相色谱分析仪（GC7900）测定样品中CH4浓度，然后计算CH4排放速率，CH4通量计算公式为：

F=p×V/A×△C/△t×273/（273+T）式中，F为CH4排放通量（mg·m-2·h-1）；p为标准状态下CH4的密度，p=0.714kg·m-3；V为采气箱内有效空间体积（m3）；A为采气箱覆盖的土壤面积（m2）；△C为气体浓度差；△t为时间间隔（h）；T为采样时箱内温度（℃）。

CH4累积排放量计算公式为：

M=∑（Fi+1+Fi）/2×（ti+1-ti）×24

式中，M为土壤CH4累积呼吸量（mg·m-2）；F为CH4排放通量，i为采样次数，t为采样时间。

1.3数据分析

采用MicrosoftExcel2007绘制CH4季节排放动态变化折线图以及CH4增温潜势的柱状图。以不同施肥处理为因素，运用SPSS数据编辑器进行单因素方差分析以及相关性分析，检验不同施肥对土壤CH4年累积排放量的影响程度和对增温效应的贡献大小及环境因子对CH4排放的影响程度。

2结果与分析

2.1CH4排放通量的季节变化

图1为不同施肥处理下水稻土CH4排放通量（FCH4）的季节动态变化，由图可知，有机肥处理和化肥处理稻田CH4排放通量分别表现出大致相同的季节变化规律。在种植水稻期间，有机肥处理（NOM、C-N）的FCH4远高于化肥处理（CF、N-C），这时期NOM、C-N、N-C、CF的平均排放通量分别为：12.21、9.12、0.75、0.36mg·m-2·h-1。休闲期，有机肥和化肥处理的FCH4均极小，在零水平上下波动。早、晚稻期间，有机肥处理稻田前期有机肥迅速分解，FCH4在返青期出现排放高峰，后逐渐降低，住分蘖期水稻生长旺盛，根系分泌物增多，FCH4再次出现高峰。除此之外，有机肥处理在早稻烤田期FCH4也出现排放小高峰，主要原因是烤田期使大量闭蓄态CH4从土壤中释放出来[9]。化肥处理稻田FCH4全年维持在一个很低的排放水平，且全年不同时期均有被吸收的现象，最小值为-0.18mg·m-2·h-1。endprint

2.2不同施肥处理稻田CH4年累计排放量

由表1看出，各施肥处理对稻田CH4的排放有一定的影响，水稻田CH4年累计排放量从小到大依次为：CF

CF、N-C、C-N、NOM的土体CH4年累计排放量占其土壤有机碳储量（0～15cm）的比例分别为0.06%、0.09%、1.25%、1.30%。4种处理在前30年土壤中有机碳的积累有明显差异，改施等量相同肥料后，CH4排放量却不同：化肥处理N-C>CF，常量有机肥处理NOM>C-N。两组结果说明，在不同有机碳水平的水稻土上施用等量相同化肥或有机肥，有机碳含量高的水稻土更有利于CH4的产生。分析得化肥处理和有机肥处理CH4排放量分别在0.01和0.05水平上与土壤有机碳相关，相关系数分别为0.951和0.836。以往研究也表明，水稻土CH4产量与土壤有机碳含量呈显著正相关[13，14]，土壤含碳量越高，CH4排放量越大，因为土壤有机碳提供电子，土壤易于还原而形成适宜CH4产生的严格厌氧条件，并且它还是产甲烷菌的重要底物和能量来源。

2.3影响稻田CH4排放的因素

2.3.1温度温度是影响CH4排放的重要环境因子，土壤温度影响有机碳的分解速率及CH4产生和排放速率，还影响产甲烷菌的数量和活性[15]。从图1可看出，气温和5cm土温变化同步，趋势一致，存在显著正相关关系（r=0.975**，P<0.01）。试验证明在水稻生长期CH4季节排放与气温及5cm土温有相同的变化趋势，和两者皆有显著相关性，以5cm土温为例：CF（r=0.349*，P<0.05），N-C（r=0.342*，p<0.05），NOM（r=0.660**，P<0.01），C-N（r=0.476**，P<0.01）。但在休闲期各处理CH4排放量非常小，所以从图1看这时期温度对其影响不明显。这与吴佳梅和石伟生等的研究结果一致[10，16]。

2.3.2水分全年土壤水层深度在0～9cm之间，由图2可见，在水稻生长期，CH4排放通量与水层深度的波动相似，休闲期CH4排放通量非常小，无明显影响。说明水层深度对稻田CH4排放通量的季节变化有一定影响，但是通过相关性分析得出，整个水层的厚度与CH4排放通量之间没有相关性。稻田水层起着密闭作用，使土壤形成厌氧还原环境，为甲烷菌生长和活性提供必要条件[15]。但两者间没有简单的相关关系，这可能是因为影响稻田排放的因子很多，环境因子之间具有复杂的交互作用[17]，也可能是因为深水层虽然促进CH4产生，但通过气泡或扩散形式穿越水层时，被氧化掉的量也增大，从而减少了CH4向大气中的排放[18]。

2.4不同施肥处理稻田的全球增温潜势

以100年时间尺度为计，单位质量CH4全球增温潜势（GWP）是CO2的25倍。在此基础上，计算出各处理一年轮作周期CH4的GWP。如图3所示，4个处理的GWP在43.37～1182.23g·m-2之间，从小到大依次为：CF

3结论与讨论

3.1水稻生长期有机肥处理土体CH4的排放通量远高于化肥处理，但休闲期有机肥和化肥处理CH4排放通量均极小。

3.2有机肥处理改施化肥后土体CH4的排放通量显著降低，化肥处理改施有机肥处理后水稻土CH4的排放通量显著提高。说明有机肥能显著促进水稻土CH4的排放，而化肥对水稻土CH4的排放影响很小。

3.3在不同有机碳水平的水稻土上施用等量相同肥料，土壤有机碳含量高的水稻土更有利于CH4的产生。说明土壤同有有机碳也是水稻土CH4排放的主要碳源。