水肥管理对稻田CH4排放及其全球增温潜势影响的评估*

谢立勇,许 婧,郭李萍,徐玉秀,孙 雪,赵洪亮,郭 飞,赵 迅

(1.沈阳农业大学农学院 沈阳 110161;2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081)

水肥管理对稻田CH4排放及其全球增温潜势影响的评估*

谢立勇1,许 婧1,郭李萍2,徐玉秀1,孙 雪1,赵洪亮1,郭 飞1,赵 迅1

(1.沈阳农业大学农学院 沈阳 110161;2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081)

甲烷(CH4)是主要温室气体之一,对全球增温的作用仅次于二氧化碳(CO2)。稻田是CH4的重要排放源,减少稻田CH4排放对减缓气候变暖具有直接效应。为此,掌握稻田CH4排放的规律和特征对控制和减少稻田CH4排放尤为重要。为了解稻田温室气体排放的主要影响因子及影响程度,估算稻田温室气体全球增温潜势,寻求农田减排措施,我们通过收集已发表的文献建立了稻田CH4排放的数据库,采用析因分析与回归分析方法对稻田CH4日排放量和全球增温潜势特征和可能的影响因子进行了分析。结果表明,稻田CH4日排放量和增温潜势均随土壤有机质背景含量的升高而增加,不同类型稻田CH4日排放量大小依次为:双季稻晚稻>双季稻早稻>单季稻>稻麦轮作晚稻;晚稻田CH4的增温潜势大于早稻田。不同肥料处理条件下,稻田CH4日排放量表现为:秸秆还田>配施有机肥>化学氮肥≈生物炭。控制灌溉水量可降低稻田CH4的综合增温潜势,表现为:持续淹水>晒田>干湿交替>控制灌溉。研究结果说明,稻田CH4的产生与排放过程受土壤有机质含量、肥料管理和水分管理以及轮作制度等多种因素的共同影响,应依据不同土壤条件和种植制度,适当调整肥水管理,以减少稻田温室气体排放,降低其增温潜势。

稻田;温室气体;甲烷排放;增温潜势;土壤有机质;水肥管理;栽培制度

甲烷(CH4)是三大温室气体之一,对全球增温的作用仅次于二氧化碳(CO2)。稻田是CH4的重要排放源,其排放量约占大气CH4总排放量的15%[1]。根据中华人民共和国气候变化第2次国家信息通报[2],2005年中国农业CH4排放占CH4总排放量的56.6%,而稻田CH4排放占农业CH4总排放量的31.5%。我国水稻种植面积约占耕地总面积的25%,占世界水稻总种植面积的20%左右。因此减少稻田CH4排放对减缓气候变化非常重要。稻田CH4是土壤中有机物在严格厌氧条件下分解产生的,是一个非常复杂的过程[3],既受到土壤理化性质、气候条件的影响,也受到耕作制度、水稻品种和田间管理措施的影响[4]。CH4产生主要包括产酸和不产酸两个途径,前者在专性矿质营养产CH4菌的参与下,以H2或有机分子还原CO2或直接利用甲酸和CO形成CH4;后者在甲基营养产CH4菌的参与下,对含甲基的简单化合物进行脱甲基作用产生CH4,这一途径约占70%左右,是产生CH4的主要途径。稻田CH4产生后通过3种途径向大气中传输:一是分子扩散作用排放;二是气泡传输方式排放;三是植物通气组织传输排放[5]。其中,植株体排放是稻田CH4排放的主要途径[6]。水稻根系具有较强的输送CH4能力,约80%的CH4通过水稻植株的通气组织传向大气[7-8]。

影响稻田CH4排放的主要因素包括土壤温度、土壤pH、水分管理、肥料施用等。土壤温度直接影响有机质分解、土壤微生物活性、CH4的产生和向大气圈传输的速率。产生CH4微生物活动的最适宜温度为35～37℃,在水稻生育期内,CH4日排放通量变化与土壤温度日变化相一致[9]。土壤pH主要影响土壤有机质的分解速率和产CH4菌的活性,土壤pH呈中性利于土壤CH4的产生。当pH<5.75或pH>8.75,产CH4菌活动受到抑制,CH4排放大大减少甚至不排放[10]。土壤有机质含量高的淹水稻田中产CH4菌活性也较高,CH4排放较多,CH4排放量与土壤有机质含量呈显著正相关[11-12]。灌溉方式及稻田水面厚度也影响稻田CH4排放。浅水灌溉会减少CH4排放,灌溉水深在10 cm以内时,CH4排放通量随灌水深度增加而增加[13]。与持续淹水相比,中期晒田可以减少36%～65%以上的CH4排放[14-16],间歇性灌水能够减少32%～93%的CH4排放[17-19]。在不同水分管理下,稻田CH4和N2O排放存在明显的消长关系[20]。在减少CH4排放的同时,往往导致N2O排放的增加[8],而N2O的温室效应又远高于CH4[9]。因此,在改变水分管理措施减排CH4时,还需关注N2O的排放以及两者协同效应。氮肥通过影响其他因素而间接影响CH4排放。增加氮肥用量可以抑制稻田CH4的排放[21]。稻田施氮水平从低氮到中氮,CH4排放降低幅度最大,从中氮到高氮变化不明显[22]。施用尿素比硝酸铵和硫酸铵排放的CH4多[23]。秸秆和绿肥还田显著增加稻田CH4排放量,并随还田量的增加而增加[24]。此外,施用未腐熟的农家肥、粪渣等增加稻田CH4的排放,而发酵过的沼渣沼液能够减少CH4排放[21]。化肥和有机肥混施能有效减少CH4排放且不影响产量,是减少稻田CH4排放的有效手段之一。

稻田CH4排放的测定或监测数据比较多,中国稻田CH4排放具有明显的地域性分布规律,以西南地区的排放通量最高,平均达16.8 mg(CH4)·m-2·h-1;长江中下游地区次之;华北和华南地区偏少;东北稻作区排放通量最低[25]。在水稻整个生长期CH4排放峰值出现在返青期和分蘖期。为方便估算稻田温室气体排放,本文采用收集已发表文献的方法建立数据库[25];针对不同种植制度的稻田(双季稻早稻、双季稻晚稻、典型单季稻及稻麦轮作),对不同管理措施下的稻田CH4排放进行析因分析,探索稻田CH4排放的主要影响因子及影响程度,并对不同水分管理措施下温室气体排放的综合全球增温潜势进行分析,为估算稻田CH4排放、制定合理的稻田温室气体减排策略提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

利用文献数据库(中国知网、万方数据库、中文科技期刊数据库、ScienceDirect和SpringLink等)对2015年以前发表的关于中国稻田CH4排放的国内外期刊及硕、博士论文进行检索,输入关键词如“CH4排放”、“甲烷”、“水分管理”和“肥料管理”等获得相关文献。

1.2 数据库构建

用Excel表格进行数据输入并分层归类,数据库中原始数据包括如下信息:文献信息(作者、时间、文献原始出处)、试验地信息(试验地点、土壤类型、土壤质地、pH、土壤有机质、总氮、黏粒含量、作物类型、生育期时间)、水肥管理(灌溉与否、灌溉方式、是否晒田、施肥方式、施肥量、氮肥类型及用量)、稻田CH4日排放量、全球增温潜势等。氮肥施入量统一换算为kg(N)·hm-2;稻田CH4的日排放量单位分别为kg(CH4)·hm-2·d-1,全球增温潜势(global warming potential,GWP)单位为kg(CO2-e)·hm-2·d-1。

GWP是某一给定物质在一定时间积分范围内与CO2相比而得到的相对辐射影响值,是为了评价各种温室气体对气候变化影响的相对能力参数。全球增温潜势是评价不同温室气体之间温室效应的衡量指标。依据IPCC温室气体清单方法学[26],100年基础上CH4的GWP计算公式如下:

1.3 数据分析

为确保数据具有代表性,所建数据库文献筛选需满足以下几个条件:1)收集的数据均来自大田试验;2)标明试验时间、地点、试验地土壤理化性状、试验设计和田间管理等基本信息;3)CH4和N2O气体的采样方法科学,观测时间至少为某一作物的完整生育期。

对数据库中的数据进行亚组分层(表1)。由于不同稻作制度生育期长短及土壤性质、生育期温度等不同,稻田CH4排放量和增温潜势也有所不同。稻田CH4排放主要是有机物质或有机物质在淹水条件下分解产生的,因此在考虑各种处理对CH4排放的影响时,按照土壤有机质含量进行分层归类(肥料处理下土壤有机质按照≤25 g·kg-1和>25 g·kg-1分层,水分处理下土壤有机质按照≤30 g·kg-1和>30 g·kg-1分层);在此基础上再将稻田分为早稻田、晚稻田和单季稻稻田,将稻田CH4和N2O排放依据肥料类型、土壤改良剂和水分管理几个因素再进行亚组分析,并根据稻田CH4在肥料处理和水分处理中的排放规律分别对土壤有机质(SOM)进行亚组分层以进行析因分析;对GWP进行汇总分析,分析其可能的影响因子。

化肥包括尿素和复合肥,有机肥主要是混有泥土或秸秆的动物粪便,秸秆还田是指上一季的小麦和水稻秸秆全部还田或一半还田,生物炭是用秸秆等农作物废物在缺氧条件下高温碳化形成的生物炭。持续淹水即整个生长季始终保持淹水状态,直至收获前一周排水落干;晒田是插秧后淹水,分蘖期末期排水晒田,复水后保持淹水状态,直至收获前1～2周排水落干;干湿交替是插秧后淹水,分蘖期末期排水晒田,复水后采取干湿交替管理方式,直至收获前1～2周排水落干;控制灌溉就是整个生育期采取不间断的干湿交替灌溉模式,或保持田间湿润状态。

对于文献中的一些异常数据,首先采用经验法去除,参照已有文献报道及理论分析规定上限值和下限值,把高于上限和低于下限100%的数据直接去除。其次,利用SPSS软件的统计学功能设置95%置信区间,箱图上、下限以外的点属于异常值适当剔除。中值更能代表一组数据的平均水平,因此选取每组数据的中值代表此组数据。最终实际使用336条文献数据,分布于全国66个站点。使用Excel软件进行数据分析和做图。

表1 稻田CH4排放条件分类Table 1 Classification of affecting factors of CH4emission from paddy fields

2 结果与分析

2.1 肥料管理对稻田CH4排放的影响

2.1.1 对早稻田CH4排放的影响

我国早稻种植区主要集中在江苏、浙江、安徽、湖南、湖北及两广地区,早稻一般在3月底至4月上旬育秧,4月下旬至5月上旬插秧,7月中下旬收获,生育期85～100 d。本文收集到的早稻田CH4排放数据主要是双季稻中的早稻,氮肥施用量100～300 kg(N)·hm-2。

稻田CH4排放不仅受到土壤有机质(SOM)背景含量的影响,施用或配施不同类型的肥料,稻田CH4排放也存在差异(图1)。当SOM≤25 g·kg-1时,仅施用化学氮肥的早稻田CH4日排放量中值为1.61 kg(CH4)·hm-2·d-1,配施有机肥的CH4日排放量中值为1.83 kg(CH4)·hm-2·d-1,而化肥结合秸秆还田处理下CH4日排放量中值有明显增加,达2.49 kg(CH4)·hm-2·d-1。随着土壤有机质含量增加,CH4排放呈现增加趋势:当SOM>25 g·kg-1时,配施有机肥和秸秆还田两个处理的CH4日排放量比SOM≤25 g·kg-1时分别增加0.45 kg(CH4)·hm-2·d-1和0.96 kg(CH4)·hm-2·d-1,增加幅度达24%和39%;而不同SOM背景条件下施用氮肥对早稻田CH4排放没有显著变化。此外,收集到的数据中有一些施用生物炭改良剂(这些试验条件中的SOM背景值均大于25 g·kg-1,n=8),数据分析显示施用生物炭,CH4日排放量中值为1.02 kg(CH4)·hm-2·d-1,明显低于其他施肥方式。

图1 早稻田肥料管理方式对不同土壤有机质水平的稻田CH4日排放量的影响Fig.1 Effect of fertilizer management on CH4daily emission from early paddy field with different soil organic matter levels

2.1.2 对晚稻田CH4排放的影响

晚稻主要包括双季稻的晚稻和水旱轮作的晚稻,一般于6月中下旬育秧,7月中下旬插秧,10月下旬至11月上旬收获,生育期105～130 d,水稻生产中比较重视晚稻的管理,因为晚稻对水稻产量的贡献份额较大。

双季稻晚稻种植区域与早稻种植区域大致相同,与早稻相比较,晚稻稻田CH4排放量整体偏高(图2和表2)。在施用化肥、配施有机肥和秸秆还田几种处理下,双季稻晚稻稻田CH4日排放量呈现递增的趋势。SOM背景值≤25 g·kg-1情况下,CH4日排放量中值分别为2.44 kg(CH4)·hm-2·d-1、2.98 kg(CH4)·hm-2·d-1和3.80 kg(CH4)·hm-2·d-1;与单施化肥处理相比,配施有机肥和秸秆还田处理双季稻晚稻田CH4日排放量分别增加22%和56%;在SOM背景值>25 g·kg-1情况下,各肥料处理CH4日排放量中值略低,但施用生物炭则显著降低双季稻晚稻田CH4排放,其日排放量中值为1.02 kg(CH4)·hm-2·d-1。

稻麦轮作是长江中下游典型的轮作种植模式。由于水旱轮作改变了稻田持续淹水状况,使得一些冷浸田等持续淹水稻田的不良性状得到改善。此外,稻田排水种植冬小麦能抑制稻田产CH4菌的活动,从而有效减少CH4的产生和排放。由图2b可以看出,稻田CH4日排放量中值普遍低于2 kg(CH4)·hm-2·d-1。SOM背景值≤25 g·kg-1时,单施化肥和添加生物炭条件下,CH4日排放量中值为0.55 kg(CH4)·hm-2·d-1和0.51 kg(CH4)·hm-2·d-1,配施有机肥和秸秆还田处理下CH4日排放量中值为0.99 kg(CH4)·hm-2·d-1和1.82 kg(CH4)·hm-2·d-1。在SOM背景值>25 g·kg-1条件下,各肥料处理的CH4日排放量中值均高于低SOM背景的排放,其中单施化肥处理的差异较大。CH4日排放量大小依次为秸秆还田>配施有机肥>单施氮肥>添加生物炭,且添加生物炭可使CH4日排放量显著降低。

图2 肥料管理对不同土壤有机质水平的双季稻晚稻田(a)和水旱轮作晚稻田(b)CH4日排放量的关系Fig.2 Effect of fertilizer management on CH4daily emission from late paddy field of double cropping rice (a) and rice-wheat rotation (b) with different soil organic matter levels

2.1.3 对单季稻稻田CH4排放的影响

单季稻稻作区主要分布在东北、华北和西北部分地区,育秧时间一般在清明节前后,4月下旬至5月上旬大田移栽,9月下旬至10月上旬收获,生育期120～150 d。不同肥料类型对单季稻稻田CH4排放有显著影响(图3),SOM背景值≤25 g·kg-1时,单施化肥处理的CH4日排放量中值为0.78 kg(CH4)·hm-2·d-1,配施有机肥和秸秆还田处理显著增加CH4排放量,日排放量分别增加97%和283%,施用生物炭使CH4排放降低了46%。在SOM背景值>25 g·kg-1情况下,不同处理的CH4日排放量中值分别为1.08 kg(CH4)·hm-2·d-1(单施化肥)、2.70 kg(CH4)·hm-2·d-1(配施有机肥)、6.19 kg(CH4)·hm-2·d-1(秸秆还田)和0.93 kg(CH4)·hm-2·d-1(添加生物炭),CH4日排放量的差异更为显著。

图3 单季稻稻田肥料管理对不同有机质水平稻田CH4日排放量的影响Fig.3 Effect of fertilizer management on CH4daily emission from single cropping rice field with different soil organic matter levels

不同类型稻田在各肥料类型及土壤改良剂条件下的CH4日排放量表现出较大差异(表2)。双季稻的早稻田CH4日排放量为1.02～3.45 kg(CH4)·hm-2·d-1,双季稻的晚稻田和稻麦轮作的晚稻田CH4日排放量分别为0.52～3.80 kg(CH4)·hm-2·d-1和0.48～1.86 kg(CH4)·hm-2·d-1,单季稻稻田CH4日排放量为0.78～6.19 kg(CH4)·hm-2·d-1,稻田CH4日排放量大小依次为:双季稻的晚稻稻田>双季稻的早稻稻田>单季稻稻田>稻麦轮作的晚稻稻田。可以看出,稻麦轮作可以显著减少稻田CH4的排放。

2.2 水分管理对稻田CH4全球增温潜势的影响

2.2.1 对早稻田CH4的全球增温潜势的影响

稻田CH4的产生和排放与土壤水分状况密切相关,稻田在晒田落干期间,土壤由嫌气转为好气,显著促进氮素的硝化作用。

按照水分管理方式,将收集到的稻田CH4的数据分为持续淹水(CF)、淹水-晒田-复水-落干(简称晒田,FDF)、淹水-晒田-干湿交替-落干(简称干湿交替,FD)和控制灌溉(CI)4个亚组。由图4和表3可以看出,不论SOM≤30 g·kg-1还是SOM>30 g·kg-1,稻田CH4的排放量均为持续淹水(CF)>晒土(FDF)>干湿交替(FD)>控制灌溉(CI)。土壤有机质背景值对稻田CH4排放影响明显。当土壤有机质含量低时,稻田CH4的增温潜势也较低,当SOM背景值≤30 g·kg-1时,各灌溉模式的CH4增温潜势分别降低25%、12%、45%和39%,其中FD和CI减排显著。淹水条件下稻田CH4排放量最高,中期晒田或间歇灌溉能够显著降低CH4的排放。总体来讲,早稻稻田温室气体全球增温潜势按CF、FDF、FD和CI的顺序呈现规律性的递减(表3)。所以控制灌溉是稻田温室气体减排的最有效措施。

表2 不同肥料类型及土壤改良剂处理下不同有机质水平稻田CH4日排放量中值Table 2 Middle values of CH4daily emission from paddy field with different soil organic matter levels under application of different fertilizer types and soil conditioner kg(CH4)·hm-2·d-1

图4 不同有机质水平早稻田水分管理对CH4增温潜势的影响Fig.4 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from early paddy field of double cropping rice with different soil organic matter levels

2.2.2 对晚稻田CH4排放的综合影响

相比早稻田,双季稻的晚稻田各灌溉模式下CH4的增温潜势较高。这主要是由于晚稻生育期气温和土温都较高,土壤中碳、氮转化过程及强度均比较活跃而导致。

由图5和表3可知,双季稻晚稻田CH4增温潜势随水分管理方式不同而不同,SOM背景值≤30 g·kg-1时,CF的CH4增温潜势最高,中值为6 700.00 kg(CO2-e)·hm-2,FDF、FD和CI分别较CF减排11%、49%和68%。SOM背景值>30 g·kg-1时,CF的CH4增温潜势中值为7 362.67 kg(C)·hm-2,FDF、FD和CI的CH4增温潜势分别较CF低26%、60%和56%,其中CI模式比FD模式排放略高,但无显著差异。可以认为,土壤有机质对晚稻田CH4排放无明显影响。

图5 不同有机质水平晚稻田(双季稻)水分管理对CH4增温潜势的影响Fig.5 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from late paddy field of double cropping rice with different soil organic matter levels

由图6和表3可知,在稻麦轮作的晚稻田中,SOM背景值≤30 g·kg-1时,稻田CH4全球增温潜势普遍较低,且按CF、FDF、FD和CI的顺序递减,但不同水分管理模式下稻田N2O的增温潜势则依次升高,分别占总全球增温潜势的1%、3%、13%和50%。可见,控制灌溉时稻田CH4排放降低,而N2O排放却明显增加,这主要因为控制灌溉保持田间湿润无水层或整个生育期保持干湿交替的状态,破坏了产CH4菌适宜的厌氧环境,营造了硝化反应产生N2O的有利环境。不过,与增加的N2O排放相比,减少的CH4排放份额大得多,因此控制水分管理能降低稻田温室气体增温潜势,是稻田温室气体减排的最有效措施之一。

在SOM背景值>30 g·kg-1时,CH4增温潜势显著增高,可能由于稻麦轮作中上一季的小麦秸秆还田增加了外源有机物质,秸秆碳成为CH4产生的主要基质供应,在厌氧条件下迅速被产CH4菌等微生物利用,产生和排放更多的CH4,最终导致稻田CH4排放显著增加。而在同样条件下,稻田N2O增温潜势则有的增加有的减少,目前还没有较为一致的解释。

图6 不同有机质水平晚稻田(稻麦轮作)水分管理对CH4增温潜势的影响Fig.6 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from late paddy field of rice-wheat rotation with different soil organic matter levels

2.2.3 对单季稻稻田CH4增温潜势的影响

在SOM背景值≤30 g·kg-1时,FDF、FD和CI的CH4增温趋势分别比CF降低281.89 kg(C)·hm-2、912.39 kg(C)·hm-2和2 887.89 kg(C)·hm-2,CH4减排比例分别为7%、25%和81%,CH4排放对稻田总增温潜势的贡献率分别为95%、94%、91%和42%,依然是稻田排放的主要温室气体。SOM背景值>30 g·kg-1时,各水分管理模式下的全球增温潜势、CH4排放特征与SOM背景值≤30 g·kg-1时趋势保持一致,且稻田CH4增温潜势分别增加47%、55%、29%和95%,控制灌溉模式下全球增温模式较其他3组灌溉模式降低的更多,有明显的减排作用(图7)。

对于CF、FDF、FD和CI各个处理,在减少CH4排放的同时,相应的N2O排放比例依次增加,分别为5%、6%、9%、58%(SOM≤30 g·kg-1)和2%、2%、10%、29%(SOM>30 g·kg-1),但稻田温室气体总全球增温潜势依然是控制灌溉处理最低。

总体来讲,单季稻稻田温室气体全球增温潜势随CF、FDF、FD和CI的顺序依次递减(表3)。控制水分管理是稻田温室气体减排的有效措施,与持续淹水比较,其他各种控制灌溉处理中,单季稻稻田温室气体减排量为3%～64%,其中,控制灌溉的减排效果最好。

表3 不同灌溉模式下不同有机质水平稻田CH4和N2O的全球增温潜势中值(GWP)Table 3 Middle values for global warming potential (GWP) of CH4and N2O under different irrigation models from paddy field with different soil organic matter (SOM) levels kg(CO2-e)·hm-2

3 讨论

本研究结果表明,稻田CH4日排放量和增温潜势均随土壤有机质背景含量的升高而增加,不同类型稻田CH4日排放量大小依次为:双季稻晚稻>双季稻早稻>单季稻>稻麦轮作晚稻,晚稻田CH4增温潜势大于早稻田。不同肥料处理条件下,稻田CH4日排放量表现为:秸秆还田>配施有机肥>化学氮肥≈生物炭。控制灌溉水量可降低稻田CH4的综合增温潜势,表现为:持续淹水>晒田>干湿交替>控制灌溉。研究结果说明,稻田CH4的产生与排放过程受土壤有机质含量、肥料管理和水分管理以及轮作制度等多种因素的共同影响,应依据不同土壤条件和种植制度,并适当调整肥水管理,以减少稻田温室气体排放,使其增温潜势达到最低。

图7 不同有机质水平单季稻稻田水分管理对CH4增温潜势的影响Fig.7 Effect of water management on global warming potential (GWP) of CH4from single cropping rice field with different soil organic matter levels

3.1 不同类型稻田CH4排放量分析对比

单施化肥、配施有机肥和秸秆还田处理下,晚稻田CH4日排放量平均比早稻田高0.5倍。这可能由于晚稻生长季内温度高于早稻所致。晚稻生长季内温度高,土壤微生物更为活跃,有机物质或土壤有机碳的分解速率加快,产生的CH4日排放量更多。相比之下,稻麦轮作各施肥类型的稻田CH4日排放量比双季稻早稻和晚稻都低,在单施化肥、配施有机肥、秸秆还田处理下分别比早稻平均低51%、47%和36%,较晚稻平均低66%、66%和59%。需要注意的是,本文中单季稻样本量偏低,其排放值的精度有待于进一步验证。土壤有机质含量不同,稻田CH4日排放量也存在差异。随土壤有机质含量升高,晚稻田CH4排放没有显著变化;而早稻田、稻麦轮作稻季和单季稻田均有明显升高[27-28]。土壤SOM背景值较高时(SOM>25 g·kg-1),单施化肥、配施有机肥和秸秆还田各处理的CH4日排放量均比SOM背景值低(SOM≤25 g·kg-1)时有所增加。各处理下单季稻田CH4日排放量增加显著。

3.2 肥料管理对稻田CH4排放的影响

肥料特别是有机肥料的施用是稻田CH4排放的一个重要影响因素。不同种类的肥料在不同类型的稻田中,对CH4排放的影响也不同。本研究表明,配施有机肥和秸秆还田,均不同程度增加了稻田CH4日排放量。各处理下稻田CH4日排放量表现为秸秆还田[1.83～3.45 kg(CH4)·hm-2·d-1]>配施有机肥[0.99～2.98 kg(CH4)·hm-2·d-1]>氮肥[0.55～2.44 kg(CH4)·hm-2·d-1]。这是由于秸秆还田后秸秆中的碳(主要为粗纤维、纤维素、半纤维素和木质素)向土壤中提供了有机物质,为CH4生成提供了物质基础,促进了稻田CH4的产生和排放[27-28]。有机肥中也有相当数量的易于被微生物利用的碳(如有机酸、氨基糖等)和腐殖酸,可激活土壤微生物的活性,促进产CH4菌的活性,因而促进CH4排放[29-30]。本文涉及的有机肥多是农家肥如猪粪、牛粪,含有大量活性强、易于被微生物利用的成分,促进了土壤有机碳的分解矿化,在嫌气条件下产生CH4的比率也增加。

与配施有机肥和秸秆还田处理相比,添加生物炭的稻田CH4日排放量显著降低;但与单施化学氮肥处理相比,减排效果只对双季稻有一定作用,而在单季稻中未有显示。这可能是由于双季稻田淹水时间较长,土壤氧化还原电位(Eh)大部分时间较低,生物炭本身有一些官能基团(如-OH、-CH2-、C=C、酯基C=O)及其灰分中含有K、Na、Ca、Mg等盐基离子,会改善土壤的强还原状况,可能对甲烷产生有一定的抑制作用[31-32]。单季稻稻田淹水时间较短,土壤还原状况相对较弱,导致生物炭的改良作用效果较小,对CH4产生的抑制作用也较小。由于收集到的生物炭对稻田CH4排放的影响文献有限,需进一步验证。

3.3 水分管理对稻田CH4全球增温潜势的影响

水分管理不仅控制稻田土壤的好气和嫌气状况,而且对稻田土壤碳、氮循环有直接影响,对稻田CH4和N2O排放的此消彼长和全球增温潜势也有直接影响。分析表明,不同水分管理下的稻田CH4增温潜势表现为:CF>FDF>FD>CI,其中晚稻田CI模式比FD的增温潜势中值略高,但整体数值呈下降趋势。稻田全球增温潜势整体表现为:CF>FDF>FD>CI。稻田CH4对温室效应的贡献率平均高达90%以上(范围为50%～99%),依然是稻田温室气体排放的主要形式。晒田处理一般在排水条件较好的地区、在水稻分蘖后期进行1～2周,此时由于土壤由嫌气转为好气,硝化作用开始进行,分蘖期施用的未被作物及时吸收的氮素即在硝化作用过程中释放出N2O。尽管N2O的全球增温潜势高于CH4,但晒田控制在一定时间内,产生的N2O全球增温潜势占生育期内总全球增温潜势的比例仍较小(2%～58%)[16-17,27]。因此,一定条件下的排水晒田仍然是稻田温室气体减排的主要措施之一。就我国目前水稻主产区的排水条件而言,控制灌溉所需的人力、物力比较大,所以该措施还没有广泛推行,而常见的水分管理模式依然是FDF或FD,中期晒田依然是较为简单易行的稻田温室气体减排措施。

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Impact of water/fertilizer management on methane emission in paddy fields and on global warming potential*

XIE Liyong1,XU Jing1,GUO Liping2,XU Yuxiu1,SUN Xue1,ZHAO Hongliang1,GUO Fei1,ZHAO Xun1
(1.College of Agronomy,Shenyang Agriculture University,Shenyang 110161,China;2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China)

Methane (CH4) is a key greenhouse gas,second only to CO2in term of contribution to global warming.Paddy field,as an important source of CH4emission,has significant implications for global warming and climate change.In order to understand the main factors of CH4emission in paddy fields and its impact on global warming,this study calculated potential global warming and sought measures to mitigate CH4emission in paddy fields.To do so,we collected data on CH4emission in paddy fields in China using literatures published before 2015 (including journals and doctoral and master dissertations) and documented in CNKI net,ScienceDirect and SpringLink.Then daily CH4emission,global warming potential (GWP) and as-sociated factors influencing CH4emission in paddy fields in China were analyzed using regression and factorial analyses.The results showed that daily emission of CH4in paddy field and GWP due to CH4emission increased with increasing soil organic matter (SOM).The order of daily CH4emission from paddy field was:late paddy field of double cropping rice >early paddy field of double cropping rice >single cropping paddy field >late paddy field of rice-wheat rotation.GWP due to CH4emission in late paddy field was more than that in early paddy field for double cropping rice.The order of daily CH4emission from paddy fields with different fertilizer managements was:ST (straw turnover) >NO (chemical nitrogen fertilizer with organic manure) >NF (chemical nitrogen fertilizer) ≈ BI (biochar).Water management significantly affected CH4emission from paddy fields with the order of continuous flooding (CF) >field drying (FDF) >flooding-drying alternation (FD) >control irrigation(CI).Proper water management also significantly reduced GWP due to CH4emission.The order of GWP due to CH4emission in early paddy fields,late paddy fields and single cropping rice paddy fields was also as follows:CF >FDF >FD >CI.The results suggested that CH4emission was influenced by many factors,including soil SOM content,water and fertilizer management,and basic soil conditions.However,agricultural management activities (e.g.,water and fertilizer management,fertilizer amount,fertilizer type) played a major role in CH4emission in agricultural lands.This was influenced by soil nutrient conditions (soil SOM content and C∶N ratio),climatic conditions (crop growth period,temperature and precipitation during growth period),management practices (fertilizer and water management),rotation system,and other factors.For a more accurate inventory of greenhouse gas emission and proposal of effective mitigation policies,it was critical to use appropriate practices suitable to specific climatic,soil and cropping conditions,combined with rational nitrogen fertilizer application rate and water management.

Paddy field;Greenhouse gases;Methane (CH4) emission;Global warming potential;Soil organic matter;Water and fertilizer management;Cropping system

,XIE Liyong,E-mail:xly0910@163.com

Dec.10,2016;accepted Mar.7,2017

S162

:A

:1671-3990(2017)07-0958-10

10.13930/j.cnki.cjea.160921

谢立勇,许婧,郭李萍,徐玉秀,孙雪,赵洪亮,郭飞,赵迅.水肥管理对稻田CH4排放及其全球增温潜势影响的评估[J].中国生态农业学报,2017,25(7):958-967

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*国家科技支撑计划“十二五”项目(2013BAD11B03)资助

谢立勇,主要从事气候变化与低碳农业研究。E-mail:xly0910@163.com

2016-12-10 接受日期:2017-03-07

*This study was founded by the National Key Technology Research &Development Program of China (2013BAD11B03).