不同灌溉模式寒区稻田温室气体排放与土壤矿质氮特征

曹晓强 魏永霞，2 吴 昱 冀俊超 刘 慧 刘继龙

(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.黑龙江省水利科学研究院， 哈尔滨 100050； 4.海南大学热带作物学院， 海口 570228； 5.东北农业大学文理学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

近年来，全球增温趋势日愈严重，CH4和N2O作为主要的温室气体，在百年时间尺度下其增温趋势分别为CO2的25倍和298倍[1]。农田土壤是温室气体重要排放源，在我国农业温室气体排放占全国温室气体排放的17%[2]，其中水稻田排放量占我国农业温室气体排放量的10.1%[3]。水稻是我国主要的粮食作物之一，2018年仅黑龙江省水稻种植面积就高达378.4万hm2，水稻产量为2 685.5万t，占全国水稻产量的12.7%[4]。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5—9月在黑龙江省庆安国家灌溉试验重点站(46°52′41″N，127°30′4″E)进行。该地年降雨量500～600 mm，多年平均气温2.5℃，作物水热生长期156～171 d，平均无霜期128 d，属于寒温带大陆性季风气候。试验地区属典型寒地黑土分布区，土壤类型为典型黑壤土，饱和含水率50%，土壤孔隙度61.8%，pH值6.35，容重1.01 g/cm3。土壤基础肥力(均为质量比)为：有机质41.8 g/kg、速效钾112.06 mg/kg、有效磷36.22 mg/kg、全氮15.06 g/kg、全钾20.11 g/kg、全磷15.23 g/kg和碱解氮198.29 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在移动式遮雨测坑(2 m×2 m)中进行，以龙庆稻3号水稻为供试作物，共4个处理，分别为对照组(常规插秧淹灌(CK))及试验组(控制灌溉(KG)、间歇灌溉(JG)和湿润灌溉(CI))，每个处理3次重复，共12个测坑。各处理均采用人工插秧种植方式，密度参照当地标准(行距30 cm、穴距13 cm)进行，每穴5株，其中KG处理在分蘖末期采用无水层管理，其余生育期进行“浅、湿、干”循环交替灌溉；JG处理稻田水分采用“薄水层-湿润”循环灌溉模式，在分蘖末期进行晒田；CI处理全生育期不建立水层。各处理肥料施用量为氮肥110 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 80 kg/hm2，氮肥按照基肥、分蘖肥、促花肥、保花肥比例为4.5∶2∶1.5∶2分施，磷肥作为基肥一次性施入，钾肥按照基肥、促花肥比例为1∶1分施2次，各处理均为撒施。所有处理均于5月17日插秧，9月22日收获，不同处理水稻各生育阶段水分管理方案见表1。

表1 不同处理水稻各生育阶段水分管理方案Tab.1 Water management scheme of rice with different treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1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)，地温观测从水稻分蘖前期开始至乳熟期结束，每隔5 d观测一次。观测时间为每日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)。

1.3.2气体样品采集与测定

采用人工静态暗箱法原位采集气体，静态箱分为不锈钢底座和顶箱两部分。不锈钢底座顶端留有深3 cm、宽3 cm的密封槽，用于采样时与顶箱密封。顶箱由厚度5 mm的有机玻璃板制成，箱外包裹1层厚度2 cm的海绵及1层铝箔，以减小采气期间由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(PT)、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(MM)采集各处理气体样品。采样时间为10:00—11:00，每个处理分别在0、10、20、30 min时采样。气体浓度采用气象色谱仪(岛津GC-2010Plus，日本)手动进样测定。CH4浓度采用氢火焰离子检测器(FID)检测，N2O气体浓度采用电子捕获检测器(ECD)检测。标准气体由大连大特气体有限公司提供。

1.3.4产量测定

每个测坑取9穴植株，经过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，最终计算理论产量。

1.4 指标计算

CH4和N2O排放量计算公式为

(1)

式中F——CH4(或N2O)排放量，mg/(m2·h)(或μg/(m2·h))

ρ——CH4或N2O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，mL/(m2·h)(或μL/(m2· h))

全球变暖潜势值和气体累积排放量计算公式为

GWP=25FCH4+298FN2O

(2)

(3)

式中GWP——CH4或N2O排放量全球增温潜势值，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

GWPy——以产量为基准的全球变暖潜势值，kg/kg

Y——产量，kg/hm2

(4)

C——流动分析仪测试值，mg/L

V——浸提溶液体积，mL

m——土壤质量，g

1.5 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P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式下稻田土壤温度变化特征

作为反映土壤热量的指标，适宜的土壤温度能有效促进农作物的营养生长和生殖生长。图1(图中不同小写字母表示处理间差异性显著(P<0.05)，下同)为不同灌溉模式稻田5、10、15、20 cm处土壤温度变化曲线。由图1可知，不同处理稻田土壤各土层温度均呈先升高后降低的变化趋势。5 cm土层土壤温度，CK处理于分蘖末期升至最高，其余处理均于拔节孕穗期升至最高；10 cm土层土壤温度各处理均于拔节孕穗期升至最高，除乳熟期外，CK处理土壤温度均高于KG、JG、CI处理，表明常规淹灌水稻10 cm土层土壤增温效果优于节水灌溉水稻土壤；15、20 cm土层土壤温度变化与5 cm土层土壤温度变化一致。不同灌溉条件下，不同土层土壤达到最高温度时期均为水稻分蘖末期或拔节孕穗期，这有助于在水稻快速生长阶段提供适宜的温度，促进作物生长。

图1 不同处理土壤温度变化曲线Fig.1 Change curves of soil temperature under different treatments

2.2 不同灌溉模式下稻田CH4和N2O排放量

2.2.1稻田CH4排放量变化特征

图2为不同灌溉模式稻田的CH4排放量。由图2可知，全生育期内各处理稻田CH4的排放变化曲线为先增后降的单峰曲线。分蘖前期，各处理稻田CH4排放量均处于较低水平；分蘖中期至分蘖末期，各处理CH4排放量缓慢增长；分蘖末期至抽穗开花期，各处理CH4排放量均处于较高水平，于拔节孕穗期达到排放峰值，由大到小依次为CK、CI、JG、KG，KG、JG、CI处理CH4排放量分别较CK处理降低34.07%、28.29%、20.65%，处理间差异显著(P<0.05)；抽穗开花期后，各处理CH4排放均缓慢降低。CK处理全生育阶段的CH4排放量均高于KG、JG、CI处理，表明不同水分管理对稻田CH4排放影响明显，水分管理模式下有利于减少稻田CH4的排放。

图2 不同处理稻田CH4排放量曲线Fig.2 Change curves of CH4 emission in paddy fields under different treatments

2.2.2稻田N2O排放量变化特征不同灌溉模式稻田N2O的排放变化特征曲线如图3所示。由图3可知，全生育期内各处理N2O的排放呈先增加后降低的倒“V”形变化趋势。分蘖前期至拔节孕穗期，各处理N2O排放量缓慢增加，处于较低水平；拔节孕穗期至乳熟期，各处理稻田N2O排放量处于较高水平，于抽穗开花期达到排放峰值，由大到小依次为CI、KG、JG、CK， KG、JG、CI处理N2O排放量分别较CK处理增加17.96%、9.59%、20.61%，处理间差异显著(P<0.05)；抽穗开花期后，各处理稻田N2O排放量快速降低。CK处理各生育阶段N2O排放量均低于KG、JG、CI处理，表明水分管理模式下促进了稻田N2O排放。

图3 不同处理稻田N2O排放量曲线Fig.3 Change curves of N2O emission in paddy fields under different treatments

2.3 不同灌溉模式下稻田土壤矿质氮动态变化

图4 不同土层含量变化曲线Fig.4 Change curves of content in different soil layers

图5 不同土层含量变化曲线Fig.5 Change curves of content in different soil layers

图6 不同处理稻田土壤平均含量Fig.6 Average content of in paddy soil under different treatments

图7 不同处理稻田土壤平均含量Fig.7 Average content of in paddy soil under different treatments

2.4 不同灌溉模式下稻田土壤温度、矿质氮含量与CH4和N2O排放量的相关性

表2 不同灌溉模式下CH4和N2O排放量与土壤温度和矿质氮含量的相关系数Tab.2 Correlation coefficients of CH4 and N2O emission fluxes with soil temperature and mineral nitrogen under different irrigation modes

2.5 不同灌溉模式下稻田CH4和N2O累积排放量、作物产量及综合温室效应

不同处理稻田CH4和N2O累积排放量、作物产量、综合温室效应及单位产量温室效应见表3。由表3可知，各处理稻田CH4累积排放量远高于N2O累积排放量，各处理稻田CH4累积排放量由大到小依次为CK、JG、KG、CI，KG、JG、CI处理稻田CH4累积排放量分别较CK处理降低28.33%、25.91%、29.70%，各处理CH4累积排放量均与CK处理差异显著(P<0.05)，表明节水灌溉模式有利于降低CH4累积排放量，减缓温室效应；各处理稻田N2O累积排放量由大到小依次为CI、KG、JG、CK，KG、JG、CI处理稻田N2O累积排放量分别较CK处理增加24.51%、12.75%、25.49%，各处理N2O累积排放量均与CK处理差异显著(P<0.05)，表明节水灌溉模式促进了N2O累积排放量增加。

表3 不同处理CH4和N2O累积排放量、作物产量、综合温室效应及单位产量温室效应Tab.3 Cumulative emissions of CH4 and N2O, crop yield, comprehensive greenhouse effect and greenhouse effect per unit yield under different treatments

各处理产量由大到小依次为JG、CK、KG、CI，其中JG处理产量较CK处理增加2.98%，KG和CI处理分别较CK处理降低3.79%和6.75%。百年尺度上各处理CH4和N2O综合温室效应(GWP,根据式(2)，以CO2作为参考气体，GWP=1 kg/hm2，在百年尺度下其增温趋势分别为CO2的25倍和298倍，分别求出其排放CO2当量，两者求和计算得出)来看，CH4是稻田系统GWP的主要影响因素，各处理GWP由大到小依次为CK、JG、KG、CI，其他处理GWP较CK处理下降显著(P<0.05)；单位产量温室效应(GWPy)表现为CK最大，为3.91 kg/kg，KG、JG、CI处理分别较CK处理降低24.98%、27.69%、24.06%，表明节水灌溉模式保产情况下能有效减缓稻田温室效应。

3 讨论

随着全球变暖趋势的日益严重，减排CH4和N2O等温室气体已刻不容缓。农业作为温室气体的重要排放源，在我国农业温室气体排放占比较高[2]，而水稻作为我国主要作物之一[4]，促使稻田土壤温室气体排放量减少尤为可观。有学者研究发现稻田节水灌溉模式CH4排放量比常规插秧淹灌显著减少且不同节水灌溉模式下气体减排程度不均衡[15]，也有研究表明间歇湿润灌溉CH4排放量较长期淹灌条件下显著减少[16]，而节水灌溉模式下的N2O排放均有不同程度增加[17-18]。本研究中，节水灌溉模式KG、JG和CI处理全生育期内CH4排放量均低于常规插秧淹灌CK处理，而N2O排放量均高于常规插秧淹灌CK处理，可能是由于KG处理稻田在生育期内进行“浅、湿、干”循环交替灌溉、JG处理稻田水分采用“薄水层-湿润”循环灌溉、CI处理全生育期无水层管理条件下土壤水层水分变化频繁，极大地改善土壤通透性，破坏了甲烷菌群厌氧环境[9]，从而减少了CH4排放，但也促进了反硝化作用，增加了N2O排放；也可能是由于节水灌溉稻田作物为保持水分减少蒸腾关闭部分气孔，减少稻田植株CH4气体排放[19]。以上结论表明不同水分管理对稻田CH4和N2O排放影响明显，水分管理模式下有利于减少稻田CH4排放而促进了N2O排放，这与AHN等[15]、HOU等[17]研究结果一致。各处理CH4排放峰值出现在拔节孕穗期，这与周玲红等[20]研究表明CH4排放峰值出现在齐穗期不同，可能是由于拔节孕穗期经过分蘖末期稻田晒田或无水层管理后土壤水分含量增加形成新的厌氧环境，进一步刺激了CH4菌的形成，促进了CH4大量排放。

土壤温度对作物根系及土壤微生物活动有所影响，是作物生长状况和产量的必备要素，直接或间接影响CH4和N2O的排放。本研究表明土壤温度与节水灌溉模式CH4排放量有显著相关性，且节水灌溉模式各处理土壤温度与CH4排放量相关性均高于常规插秧淹灌处理，可在作物种植管理方式上适度控温达到减排CH4的效果，减缓增温趋势；而各处理土壤温度与N2O排放量相关性不显著。节水灌溉各处理CH4累积排放量均低于常规插秧淹灌处理，而N2O累积排放量均高于常规插秧淹灌处理，而节水灌溉综合增温潜势均低于常规插秧处理，表明节水灌溉模式能有效减少稻田温室气体排放。在不减产的前提下减排温室气体，将水稻产量与增温潜势综合考虑相对能更好平衡经济效益和温室效应[24]。本试验中从单位产量温室效应(GWPy)来看，节水灌溉KG、JG、CI处理分别较CK处理降低24.98%、27.69%、24.06%，研究表明节水灌溉模式保产情况下能有效减缓稻田温室效应。

4 结论

(1)不同灌溉模式对CH4和N2O排放峰值有所影响，相较于CK处理，KG、JG、CI处理的CH4排放峰值均有所降低，而N2O排放峰值均呈增加趋势。CH4排放峰值降幅由大到小依次为KG、JG、CI处理，N2O排放峰值的增幅由大到小依次为CI、KG、JG处理。

(4)节水灌溉模式在保证产量的情况下能有效减缓温室效应。KG、JG和CI处理的CH4累积排放量均低于CK处理，而N2O累积排放量均高于CK处理；百年尺度的各处理CH4和N2O综合温室效应，3种节水灌溉模式处理的GWP较CK处理下降显著(P<0.05)；单位产量的温室效应，KG、JG、CI处理分别较CK处理降低24.98%、27.69%和24.06%。