不同改良剂对滨海盐土区稻田综合温室效应的影响

李佳， 张宇， 孙丽英*， 范长华

(1.南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；2.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海口 571101；3.国家农业环境儋州观测实验站，海南 儋州 571700)

我国滨海盐土面积广大，是十分重要的土地资源，也是我国发展农牧业的潜在基地。种植水稻通常被认为是改善滨海盐土的有效方法之一，因为在水稻生长过程中，土表覆盖一定深度的水层，可以减少蒸腾作用引起的盐分向上移动[1]，而且由于水层对土壤的淋溶作用使表土盐分含量降低，使盐土在种稻过程中逐渐脱盐，改善盐土pH和理化性质[2]。但是，滨海盐土的理化性状一般较差，不利于水稻的生长发育和产量形成，因此通常采用添加改良剂的方法来培肥土壤并提高水稻产量。而添加改良剂通常会影响稻田温室气体(CH4、N2O)的排放。

稻田是农业温室气体排放的重要来源之一，全球稻田CH4年总排放量约为30 Tg[3-4]，占大气CH4中人为总排放源的11%左右[5]。盐渍土盐分含量高，可能会直接影响作为CH4主要传导体的稻株生长，并且会间接影响为CH4产生提供底物的根际分泌物[6]。另一方面，盐渍土的高盐分也可能通过影响微生物活性来影响CH4的产生[7]。通常，施用有机物质类的改良剂会促进水稻生长，为产甲烷菌提供基质，从而促进CH4的产生[8]。研究发现，在不添加有机肥的情况下，滨海盐渍土稻田中碱斑和非碱斑区域的CH4排放量没有显著差异[9]。施用硫酸盐含量高的磷石膏经常被作为减少CH4排放的方法，因为它能增加甲烷氧化菌pmoA基因丰度，同时降低产甲烷菌mrcA的基因丰度[10]。研究表明，稻田土壤中施加磷石膏可减少季节性CH4累积排放量[11-12]。稻田烤田期形成的适宜土壤水分条件有利于N2O的排放[13]。我国稻田N2O的排放量占我国农田总排放量的7%～11%[14]。目前，有机物质对农田N2O排放影响的研究结果并不一致，主要是因为不同的有机肥在含氮量、碳素组成、微生物性状等方面存在较大差异[15]。禾康改良剂(一种土壤化学改良剂)能够代换、活化土壤胶体中的钠离子及其他矿物质元素，对重盐碱土和碱化土的改良有明显作用[16]。但施用禾康改良剂之后对盐土区稻田温室气体排放影响尚不清楚，需要进一步研究。

目前，大多数研究以普通稻田为研究对象，对于正在改造的滨海盐土稻田则研究较少，尤其是对氮肥配施不同改良剂的稻田，鲜有报道。因此，本研究在江苏省连云港市东辛农场的滨海盐土稻田区设置氮肥配施不同改良剂(腐殖酸、磷石膏和禾康改良剂)的田间原位观测试验，探索氮肥配施不同盐土改良剂对滨海盐土区水稻生态系统CH4、N2O排放特征、排放量以及水稻产量的影响，以期为评估滨海盐土区水稻生态系统的CH4、N2O排放总量提供科学依据，并筛选出最优的盐土改良方式，以减缓农业源温室气体排放的净温室效应潜力。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2017年7—10月在江苏省连云港市东辛农场滨海盐土区稻田(34°57′N, 119°45′E)上进行，该地区属于典型的亚热带季风气候。在整个水稻生长周期内，平均降雨量为626.5 mm，平均气温为23.2 ℃。图1列出了整个水稻生长季的日平均温度、10 cm土壤温度和日降雨量。此地区进行水稻-小麦轮作长达20多年。试验田耕作层土壤的基本理化性质为pH 8.58；有机碳含量11.77 g·kg-1，总氮量0.92 g·kg-1，氯离子含量为0.16%。

图1 整个水稻生长季的降雨量、空气温度和10 cm土壤温度

1.2 试验材料

试验期间共种植一季水稻，供试水稻品种为淮稻5号，由江苏省高科种业科技有限公司提供。本研究中所用的腐殖酸为商用腐殖酸肥料，腐殖酸含量为50%(W/W)，由安徽莱姆佳肥业有限公司生产。磷石膏由中国石油化工集团，南化公司的磷肥厂提供，主要参数为pH 2.3，SiO270.1 g·kg-1，P2O530.2 g·kg-1。禾康改良剂(pH 2.5)为商用液体改良剂(北京飞鹰绿地科技发展有限公司开发研制)，主要参数为pH 2.5，容重1.15 g·cm-3，其中富含的氢离子与土壤中引起碱性升高的碳酸根离子、碳酸氢根离子发生反应，生成水和二氧化碳，能直接降低土壤的碱性。

1.3 试验设计

田间试验共设置5个处理：空白处理(N0)，单施氮肥(N1)，氮肥配施腐殖酸(N1H1)，氮肥配施磷石膏(N1G1)，氮肥配施禾康改良剂(N1A1)。每个处理3次重复，采用完全随机区组设计。每个小区面积为20 m2(4 m×5 m)。水稻种植、施肥方法以及时间、中期烤田等都按照当地农场的管理措施进行。除了不施肥处理(N0)外，所有处理的施氮量均相同(以尿素的形式施入)，在整个水稻生长期间均为300 kg·hm-2，并以4∶3∶3的比例按照基肥、分蘖肥、孕穗肥施入稻田中。水稻移栽之前，5个处理均一次性施入等量的磷肥(60 kg·hm-2，过磷酸钙)和钾肥(120 kg·hm-2，氯化钾)作为基肥。腐殖酸、磷石膏、禾康盐碱土改良剂的施用量分别为0.6、0.6、22.5 kg·hm-2，并于施基肥之前，一次性施入到土壤中，混合均匀。

1.4 样品采集与测定

采用静态暗箱-气相色谱法测定水稻生长季的CH4、N2O排放通量。水稻移栽之后，通常每周采集一次气体样品，采样时间在上午8:00至10:00。3次施肥之后以及烤田期间，需加密采样，每隔一天采集一次样品，连续采集一周。采样箱的规格为长50 cm、宽50 cm、高50/110 cm，以适应水稻不同生长时期的高度。在水稻移栽之前，将采样底座安放在小区中，采样时，将采样箱扣在底座上，用水密封，分别于0、10、20、30 min时用50 mL注射器分别抽取4针气体，之后立即将气体分别注射到事先抽好真空的真空瓶中，带回实验室用安捷伦气相色谱仪7890B(安捷伦科技(中国)有限公司)测定样品中CH4和N2O浓度。检测器分别为氢火焰离子化检测器(FID)和电子捕获检测器(ECD)，载气分别为N2和体积比为5%的氩甲烷。CH4(N2O)的排放通量根据每组4个样品CH4(N2O)浓度值和采样时间的直线回归方程的斜率求得。

1.5 数据处理与分析方法

CH4和N2O排放通量计算公式如下。

F=ρh(dc/dt)×273/(273+θ)

(1)

式中，F为N2O(以N计)和CH4(以C计)排放通量，单位分别为μg·m-2·h-1和mg·m-2·h-1；ρ为标准状态下N2O-N和CH4-C的密度，分别为1.25和0.54 g·L-1；h为采样箱的高度，m；dc/dt为N2O和CH4的排放速率，单位分别为nL·L-1·h-1和μL·L-1·h-1；θ为采样时箱内平均温度，℃。用每个处理的3次重复的平均值表示N2O和CH4的排放通量。

CH4和N2O的增温效应不同，因此需要统一的标准来衡量其增温效应。本研究采用综合温室效应(global warming potentials，GWP)这一综合指标。在100 a时间尺度上，N2O和CH4的增温潜势分别是CO2的298和34倍[17]，因此，GWP(t·hm-2，以CO2计)计算公式如下。

GWP=298×GWP(N2O)+34×GWP(CH4)

(2)

采用Microsoft Excel 2010进行数据计算和图表制作；所有统计分析使用JMP 13进行，显著性差异水平为P<0.05(T-检验)。

2 结果与分析

2.1 各处理稻田CH4、N2O排放通量的变化

2.1.1各处理稻田CH4排放通量动态变化 从图2中可以看出，所有处理的稻田CH4的排放量变化趋势大致相同。总体上，CH4排放通量在7月3日施用基肥之后快速上升。在第一次追肥之后，排放量仍继续增长。中期烤田期间，CH4的排放量达到最大值，随后迅速降低。烤田结束之后，复水伴随着最后一次追肥，CH4排放通量有较小幅度的回升，达到一个较小的峰值，之后CH4的排放通量一直处于较低的水平。N0、N1、N1H1、N1G1、N1A1五个处理的CH4排放通量的变化范围分别为0.17～31.7、0.24～25.76、-0.06～33.71、0.13～20.92、0.20～17.10 mg·m-2·h-1(图2)。

注：↓表示施肥，↔ 表示中期烤田。

2.1.2各处理稻田N2O排放通量动态变化 图3显示，整个水稻生长周期内，所有处理的N2O排放趋势一致，仅在烤田期间出现较大的峰值，其他时间的排放量均较低。N0、N1、N1H1、N1G1、N1A1五个处理的N2O排放通量的平均值分别为8.06(-8.72～123.67)、18.59(-21.49～126.55)、19.25(-0.36～248.43)、16.93(1.44～303.77)、18.63(7.09～117.58)μg·m-2·h-1。

注：↓表示施肥，↔ 表示中期烤田。

2.2 各处理稻田CH4、N2O累积排放量和综合温室效应

2.2.1各处理稻田CH4累积排放量 如表1所示，与空白处理N0相比，N1、N1H1、N1G1、N1A1四个处理分别增加了CH4累计排放量的28.2%、36.0%、3.2%、33.0%，但并未达到显著水平。整个水稻生长周期内，各处理的CH4累积排放通量在131.35～178.59 kg·hm-2。与N1处理相比，N1H1、N1A1处理分别增加了CH4累积排放通量的6.0%、3.7%；而N1G1处理降低了CH4累积排放通量的19.5%，但也未达到显著水平。

表1 水稻生长季CH4、N2O累计排放量以及综合温室效应

2.2.2各处理稻田N2O累积排放量 如表1所示，与N0处理相比，N1、N1H1、N1G1、N1A1四个处理均显著增加了N2O排放通量的130.9%(P<0.05)、139.1%(P<0.05)、110.2%(P<0.05)、131.3%(P<0.05)。结果显示，无论是否加入改良剂，施用氮肥都能显著增加稻田N2O的累积排放量。整个水稻生长周期内，各处理的N2O累积排放量在0.23～0.55 kg·hm-2。

2.2.3各处理稻田综合温室效应 所有处理中，GWP的变化范围为6.06～8.35 t·hm-2(表1)。与不施氮肥(N0)处理相比，所有施氮处理均增加了GWP的5.1%～37.8%。与N1处理相比，只有配施磷石膏改良剂的处理(N1G1)降低了GWP的19.1%，配施腐殖酸(N1H1)和禾康改良剂(N1A1)的处理都增加了GWP。

2.3 水稻产量

由图4可知，所有处理中，水稻产量的变化范围为6.17～10.59 t·hm-2。与N0处理相比，N1、NIH1、N1G1、N1A1四个处理均显著增加了水稻产量的41.1%(P<0.05)、67.0%(P<0.05)、44.3%(P<0.05)、71.6%(P<0.05)。与N1处理相比，N1A1处理显著增加了水稻产量的21.6%(P<0.05)，而N1H1和N1G1处理的增产效果并未达到显著水平。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 氮肥配施改良剂对稻田CH4、N2O排放的影响

本研究中，稻田CH4排放主要集中在中期烤田之前，中期烤田之后CH4排放通量均维持在一个较低水平，与周旋等[18]的研究结果相同。主要原因可能是：①烤田期间，由于土壤处于强氧化状态导致产甲烷菌受损，即使后期复水，也未能使其恢复，所以土壤中产生的CH4减少；②水稻生长后期对CH4的传输能力减弱，因此导致CH4排放减少。

稻田长期处于淹水环境中，N2O的排放通量常被忽视。然而，在水稻的中期烤田期间通常会有大量的N2O排放[19]。本研究中，在中期烤田期间，所有处理均出现了最大峰值。主要原因可能是排水所导致的干湿交替环境有利于硝化和反硝化过程中N2O的产生[20]；烤田期间，土壤处于强氧化状态，含有较多O2，有利于硝化和反硝化作用同时进行，因此促进了N2O的排放。

3.2 氮肥配施改良剂对CH4、N2O累积排放量和综合温室效应的影响

本研究中，施用氮肥显著提高了稻田土壤N2O排放，与前人研究结果一致[28]。氮肥施入到土壤中有利于N2O的排放，主要是通过为硝化和反硝化的过程提供底物[29]。在所有的施氮处理中，3种改良剂的加入并未显著影响N2O的排放。但也有研究表明，施用腐殖酸能增加土壤氧化还原电位[30]、刺激了微生物的活性，进而促进N2O排放。多数研究表明，磷石膏的添加对N2O排放无显著影响[31]。

CH4排放量是季节性GWP的主要组成部分，这一结果也得到了早籼稻田研究的支持[19]。氮肥和改良剂对CH4排放的影响并不明显，导致各处理间的GWP差异不显著。然而，值得注意的是，与N1处理相比，N1G1处理使GWP降低了19.2%。

3.3 氮肥配施改良剂对水稻产量的影响以及对稻田的综合影响

氮肥可以提高大部分农业土壤的作物产量。本研究中，与不施氮处理相比，所有施氮处理都能显著提高水稻产量，与前人研究结果一致[32]。氮肥配施腐殖酸提高了水稻产量，可能原因是腐殖酸改良剂通过提供营养、改善土壤团聚结构、刺激微生物和酶的活性来提高产量[33]。但是，所有的氮肥配施改良剂处理中，只有氮肥配施禾康改良剂(N1A1)能显著增加水稻产量，可能原因是禾康改良剂改善了土壤质量，因此提高了水稻产量。而综合比较所有氮肥配施改良剂处理的水稻产量以及综合温室效应发现，N1A1处理能显著增加水稻产量，同时不显著影响综合温室效应，因此在滨海盐土区推荐N1A1施肥方案。