水分管理对旱直播稻温室气体排放与土壤无机氮的影响

魏永霞 冀俊超 刘 慧 郭彦君 郑衍波 石 蕴

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030；3.东北农业大学文理学院， 哈尔滨 150030； 4.北京邮电大学现代邮政学院， 北京 100876)

0 引言

大气中主要的温室气体为CO2、CH4和N2O等，由于人类生产活动使得温室气体含量逐年升高，全球温室效应越发严峻[1]。联合国政府间气候变化专门委员会的评估报告指出：单位质量CH4和N2O的全球增温潜势分别是CO2的25倍和298倍[2]。农业已经成为全球温室气体的主要排放源，其排放量占全球总排放量的17%～32%[3]，其中水稻种植排放量占农业温室气体总排放量的10.1%[4]。因此，研究稻田CH4和N2O排放规律对于减缓温室效应和保障粮食安全具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在位于黑龙江省绥化市庆安县和平灌区的庆安国家灌溉试验重点站(46°52′41″N，127°30′4″E)进行。该地临近于第二积温带与第三积温带之间，属于寒温带大陆性季风气候，多年平均气温2.5℃，多年平均降雨量550 mm，作物水热生长期156～171 d，平均无霜期128 d。试验地区属于典型寒地黑土分布区，土壤类型为白浆土型水稻土，土壤容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%，pH值6.45，饱和含水率50%。土壤基础肥力(均为质量比)为：有机质41.8 g/kg、全氮15.06 g/kg、全磷15.23 g/kg、全钾20.11 g/kg、速效钾112.06 mg/kg、有效磷36.22 mg/kg和碱解氮198.29 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在有移动式遮雨棚的有底测坑(测坑面积2 m×2 m)中进行，共设4个处理：淹灌旱直播(YH)、湿灌旱直播(SH)、旱管旱直播(HH)和常规插秧淹灌(CK)处理，每个处理设3次重复，共12个测坑。水稻供试品种为龙庆稻3号。YH、SH、HH处理均采用手工穴播，于2019年5月7日播种，每穴10～12粒，穴距10 cm，行间距10 cm+26 cm+10 cm。CK处理采用人工插秧，插秧时间为5月25日，插秧密度为行距30 cm，株距13 cm。不同处理水稻各生育阶段水分管理方案见表1。不建立水层的生育阶段以根层的土壤含水率确定灌水时间和灌水量，建立水层的生育阶段以水层深度为控制指标确定灌水时间和灌水量。各处理氮肥施用量为110 kg/hm2，按照基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥比例为4.5∶2∶1.5∶2分施；磷肥施用量45 kg/hm2，作为基肥一次性施入；钾肥施用量80 kg/hm2，按照基肥、促花肥比例为1∶1分施2次。2019年9月29日收获。

表1 不同处理水稻各生育阶段水分管理方案Tab.1 Water management schemes for different treatments of rice at different growth stages

1.3 测定指标与方法

1.3.1气体样品采集与测定

采用人工静态暗箱法原位采集气体[19]，静态箱由顶箱和不锈钢底座两部分组成。不锈钢底座顶端留有宽3 cm、深3 cm的密封槽，用于采样时与顶箱密封。顶箱由厚5 mm的有机玻璃板制成，箱外包裹1层厚2 cm的海绵及1层铝箔，以减小采气期间由于太阳辐射引起的箱内温度变化。水稻生育前期采用的顶箱高60 cm，生育后期采用的顶箱高110 cm。顶箱侧面接入采气管，采气管进入箱内20 cm，采气管末端连接三通阀，三通阀其余两个接头分别连接采气袋与医用注射器(50 mL)。于分蘖前期(ET)、分蘖中期(MT)、分蘖末期(LT)、拔节孕穗期(JB)、抽穗开花期(HF)和乳熟期(M)采集各处理气体样品。每个处理分别在0、10、20、30 min时采样，采样时间为10:00—11:00。

气体浓度采用气象色谱仪(岛津GC-2010Plus型，日本)手动进样测定。CH4浓度检测时采用氢火焰离子检测器(FID)，N2O气体浓度检测时采用电子捕获检测器(ECD)。标准气体由大连大特气体有限公司提供。CH4和N2O排放量计算公式为

(1)

式中F——CH4或N2O排放量，μg/(m2·h)

ρ——CH4或N2O在标准状态下密度，kg/m3

h——采样箱有效高度，m

T——采样箱内温度，℃

dc/dt——采样过程中CH4或N2O浓度变化率，μL/(m3·h)

全球变暖潜势和气体累积排放量计算式为

GWP=25FCH4+298FN2O

(2)

(3)

其中

FCH4=FACH4Th

(4)

FN2O=FAN2OTh

(5)

式中GWP——CH4和N2O的排放量全球变暖潜势，kg/hm2

FCH4——水稻全生育期CH4累积排放量，kg/hm2

FN2O——水稻全生育期N2O累积排放量，kg/hm2

FACH4——水稻全生育期CH4平均排放量，mg/(m2·h)

FAN2O——水稻全生育期N2O平均排放量，μg/(m2·h)

Th——水稻全生育期总时长，h

GWPy——以产量为基准的全球变暖潜势，kg/kg

Y——产量，kg/hm2

(6)

C——浸提溶液质量浓度，mg/L

V——浸提溶液体积，mL

m——土壤质量，g

1.3.3土壤温度测定

所有测坑按深度5、10、15、20 cm埋设曲管地温计(HY-1型)，地温观测从水稻进入分蘖期开始至乳熟期结束，每隔5 d观测一次。观测时刻为每天08:00、12:00、18:00，取其平均值作为日平均土壤温度(深度5、10、15、20 cm土壤温度分别以T5、T10、T15、T20表示)。

1.3.4产量测定

从每个测坑取9穴植株，经晾晒风干后测定水稻植株穗长、有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量，计算理论产量。

1.4 数据处理方法

所有指标均采用平均值。采用Microsoft Excel 2010对试验数据进行初步处理，用Origin 9.0进行绘图，用SPSS 22.0进行显著性分析，多重比较采用LSD法，显著性水平取0.05，用R 4.0.3软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理CH4和N2O排放特征

2.1.1CH4排放变化特征

农业生产活动产生的CH4是大气中甲烷的重要来源，减少CH4排放，有助于解决全球变暖等问题[20]。由图1(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同)可知，不同处理稻田CH4排放量均呈倒“V”形变化趋势。各处理在分蘖前期CH4排放量均处于较低水平，分蘖末期至抽穗开花期，CH4排放量维持较高水平。拔节孕穗期各处理CH4排放量达到最高峰，YH、SH、HH处理分别较CK处理显著降低43.71%、60.33%、74.89%(P<0.05)。抽穗开花期至乳熟期，各处理稻田CH4排放逐渐减少。除乳熟期YH与CK处理CH4排放量差异不显著(P>0.05)外，其余各生育阶段旱直播处理CH4排放量均显著低于CK处理，且处理间差异显著(P<0.05)。各生育阶段CH4排放量由大到小均依次为CK、YH、SH、HH，这表明淹水灌溉会导致稻田CH4排放量增加，而旱直播种植水稻有利于降低稻田CH4排放。

2.1.2N2O排放变化特征

N2O是稻田生态系统中一种主要的温室气体，在全球温室效应中起着重要作用[1]。不同处理N2O排放呈先增加后降低的变化趋势(图2)。分蘖前期各处理N2O排放处于较低水平，施加分蘖肥后，各处理在分蘖中期出现一个小的排放量高峰。抽穗开花期，各处理N2O排放量达全生育期最大，YH、SH和HH处理N2O排放量分别较CK处理增加51.03、57.99、71.35 μg/(m2·h)，差异显著(P<0.05)。各生育阶段N2O排放量由大到小依次为HH、SH、YH、CK，这表明旱直播种植水稻促进稻田N2O排放，也表明土壤含水率越低，稻田N2O释放能力越强。

2.2 不同处理CH4和N2O温室效应

由表2可知，各处理CH4累积排放量远大于N2O累积排放量，这表明温室气体CH4对全球气候变化的贡献率远大于N2O。淹水灌溉处理的CH4累积排放量显著高于田面无水层处理，与CK处理相比，YH、SH、HH处理CH4累积排放量分别降低22.23%、49.25%、71.64%。YH、SH和HH处理N2O累积排放量分别较CK处理增加1.02、1.31、1.61 kg/hm2，这表明插秧淹灌水稻有利于降低稻田N2O累积排放量。

表2 不同处理CH4与N2O累积排放量和增温潜势Tab.2 Cumulative emissions of CH4 and N2O, and warming potential under different treatments

CH4和N2O在100年时间尺度上，以CO2作为参考气体(GWP=1 kg/hm2)，分别求出其排放CO2当量，两者求和即为全球增温潜势[21]。由表2可知，CK处理的GWP显著高于其它处理，YH、SH和HH处理GWP分别较CK处理降低了6 715.58、15 166.85、22 146.43 kg/hm2，这表明旱直播种植水稻能显著降低温室效应。CK处理产量最大，为8 160.11 kg/hm2，YH、SH和HH处理分别较CK处理显著降低3.67%、5.49%和20.55%(P<0.05)。CK处理的GWPy最大，为3.91 kg/kg，YH、SH和HH处理分别较CK处理降低了18.16%、44.50%和61.64%，这表明YH和SH处理水稻在保证产量的前提下能降低稻田温室效应。

2.3 不同处理土壤和含量变化特征

表3 各土层和平均含量(质量比)Tab.3 Average contents of in different soil layers mg/kg

2.4 不同处理土壤温度变化特征

图5为不同处理稻田5、10、15、20 cm土层土壤温度变化。不同土层各处理土壤温度均表现为先升后降的变化趋势。各土层温度均在分蘖末期和拔节孕穗期处于较高水平，这表明气温对土壤温度变化起着重要作用。在5 cm土层，SH、HH处理分蘖前期至拔节孕穗期土壤温度均高于CK处理，说明无水层灌溉对5 cm土层增温效果较好。在10 cm土层，CK处理各生育阶段土壤温度均高于YH、SH、HH处理，这表明插秧水稻对10 cm土层增温效果优于旱直播水稻。CK、YH、SH处理10、15、20 cm土层温度由大到小均表现为10、15、20 cm土层，这表明土层越深，土壤温度越低。

2.5 相关性分析

3 讨论

农田土壤是CH4和N2O的主要排放源之一，对全球温室效应贡献巨大，稻田生态系统温室气体减排对我国生态环境建设具有重要意义[22]。本研究发现，CK处理CH4排放量为21.42～67.57 mg/(m2·h)，旱直播处理CH4排放量为4.04～38.04 mg/(m2·h)，表明插秧淹灌的水稻种植方式释放CH4能力较强。不同处理CH4排放峰值出现在拔节孕穗期，这是由于在分蘖末期各处理土壤含水率较低且田面处于无水层状态，土壤含氧量增加，土壤氧化还原电位升高，抑制土壤中厌氧产CH4菌活性，使得稻田CH4产生量降低，至拔节孕穗期各处理稻田复水，使得CH4大量释放，这与周玲红等[23]认为CH4排放在齐穗期达最大值的研究结果不一致。原因可能是由于拔节孕穗期施加氮肥，使得土壤在短时间内CH4大量排放。减少稻田温室气体排放的前提是不减产，将水稻产量考虑在内的GWPy能更好地平衡农田温室效应和经济效益[24]。与已有研究结果[25-26]相比，本研究得出的GWP和GWPy均处于较高水平，原因可能是CH4累积排放量较高且CH4相对于CO2的当量倍数较大，这说明稻田温室气体CH4和N2O排放导致的温室效应比过去更加严重，需要寻找例如旱直播种植水稻等方式降低GWPy以达到节本减排的目的。

4 结论

(1)各处理CH4和N2O排放量均呈先增加后降低的变化趋势。与插秧淹灌水稻相比，旱直播水稻有利于降低稻田CH4排放量，但不利于降低稻田N2O排放量。各处理GWP和GWPy由大到小均表现为CK、YH、SH、HH，说明旱直播水稻降低了稻田温室效应，减排效果显著。