鐵爐渣施加對稻田甲烷產生、氧化與排放的影響

王維奇 ，李鵬飛，曾從盛，，王 純，林 芳

(1．福建師范大學地理研究所，福州 350007;2．福建師范大學亞熱帶濕地研究中心，福州 350007)

甲烷是重要的溫室氣體之一，其100a尺度上的高效的單分子增溫潛勢相當于二氧化碳的23倍［1］，使之成為對全球氣候變暖的貢獻僅次于二氧化碳的溫室氣體［2］。稻田是主要的甲烷排放源，排放量為20—100 Tg/a［3］。隨著人口的增加水稻生產也將不斷擴大，相應的甲烷排放量也會隨之升高，這將加速全球變暖。因此，解決稻田甲烷排放增加與水稻生長擴大之間的矛盾，意義重大。

電子受體可以通過抑制產甲烷菌的活性、與產甲烷菌競爭底物以及提高產甲烷生境的氧化還原電位等途徑調節產甲烷過程，但相關研究甚少［4］。在諸多電子受體之中，鐵受體因其在土壤中的數量較多且在稻田排干后的可再生特性，使其在稻田甲烷減排過程中得到重視［5］。鐵爐渣作為鋼鐵工業的廢棄物，含有豐富的鐵受體。Ali等［6-7］在韓國開展的實驗表明，可使稻田甲烷排放減排16%—20%，與此同時，稻谷產量提高了13%—18%，但這一成果是在溫帶地區稻田開展的，是否在亞熱帶區域開展鐵爐渣施加試驗也可實現甲烷減排與稻谷增產，尚不清楚，若可實現減排，主要是通過控制甲烷產生與氧化中哪個過程實現的，也未見報道。基于此，本研究開展了鐵爐渣施加對稻田甲烷產生、氧化與排放的影響研究，若可實現甲烷減排，可為我國稻田甲烷減排提供新的思路。

1 材料與方法

1．1 研究區與采樣點

研究區位于閩江河口區福州平原的南分支——烏龍江的北岸，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫為19．6℃，年均降水量為1392．5 mm，蒸發量為1413．7 mm，相對濕度為77．6%，地貌主要為沖海積平原，地表平坦，海拔3—5 m，零星分布剝蝕丘陵地貌［8］。實驗區(圖1)位于福建省農科院水稻所吳鳳綜合實驗基地(26．1°N，119．3°E)內［9］，該實驗基地共有稻田 7 hm2［10］。土壤耕作層有機碳含量為 18．11 g/kg，全氮 1．28 g/kg，全磷1．07 g/kg。實驗區內主要實行早稻—晚稻—蔬菜的輪作制度，本實驗點的前茬作物為花菜，實驗前對翻耕后的田地進行人工整平，以保持土壤的均一性。實驗始于2011年4月中旬，至同年7月中旬收獲結束。實驗稻田為早稻田，水稻栽培品種為江西省農科院研發的和盛10號，4月16日機插移栽，機插采用春苗插秧機，株行距14 cm×28 cm，施用底肥為復合肥和尿素，施肥量分別為 N-P2O5-K2O=70-70-70 kg/hm2和25 kg N/hm2;蘗肥在約一周后施加，為復合肥和尿素，分別為N-P2O5-K2O=20-20-20 kg/hm2和15 kg N/hm2;穗肥約在8周后施加，為復合肥和尿素，分別為N-P2O5-K2O=10-10-10 kg/hm2和8 kg N/hm2。水稻生長期基本處于淹水狀態，水深約5—7 cm，水稻成熟時曬田。

圖1 采樣點位置圖Fig．1 Location of sampling site

在實驗區選擇相對平整的稻田，設置對照(CK)、2 Mg/hm2(FeⅠ)、4 Mg/hm2(FeⅡ)和8 Mg/hm2(FeⅢ)的鐵爐渣施加樣地，并在水稻移栽前將鐵爐渣施加到實驗田里。每個處理樣地長和寬為4 m×3 m，并用PVC板隔離，防止實驗田間水體、物質互相流通交換。各處理設置3個重復，每個靜態箱底座里應包含有兩株植物體長勢相似的水稻苗，以保證測量數據的準確性。最后，計算好要施加的爐渣量(鐵爐渣中含有CaO、SiO2和Fe2O3分別為34．9%、40．7%和4．8%)，設置對照，在施加量以比例分別均勻撒入實驗田中。在測定過程中，為了減少人為干擾，實驗均在人工搭設的棧橋上進行。

1．2 氣體采集與分析方法

采用靜態箱法-氣相色譜法對稻田甲烷產生、氧化和排放過程進行測定。靜態箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長寬高分別為0．3 m ×0．3 m ×1．0 m(頂端安裝有小風扇并具溫度計插孔)，側面有抽氣孔，底座長寬高分別為0．3 m ×0．3 m ×0．3 m(具凹槽)，并在整個生長期固定在樣地內。

采樣時間一般選在9:00—13:00，在約9:00和12:00各測定1次甲烷排放通量，這樣重復測定兩次可使甲烷排放通量更加接近于一天的平均值，提高數據的準確性。甲烷排放通量的測定采用靜態箱法直接測定，蓋上頂箱后立刻用100 mL注射器抽取甲烷氣體70 mL，并打入氣袋內，后每隔15min再抽取1次樣品，共抽取3次，在抽氣過程中保持勻速，同時在底座凹槽內加水密封，防止靜態箱內甲烷氣體外泄;甲烷產生量的測定步驟為，先蓋上頂箱，添加甲烷氧化抑制劑(乙炔濃度4%［11］)，為充分擴散到土壤中，放置過夜，第2天掀開頂箱，通氣5 min，立即蓋上頂箱測定甲烷排放通量即為甲烷產生量，同樣于在約9:00和12:00各測定1次甲烷排放通量;甲烷氧化量則通過甲烷產生量與甲烷排放通量的差值求得。其中，甲烷排放通量為7d測定1次，產生量與氧化量為15d測定1次。

采集的甲烷氣樣用日本島津公司生產的氣相色譜儀(GC-2014)進行分析。甲烷檢測器為FID，色譜柱為5A分子篩，進樣口溫度為60℃，檢測器溫度為200℃，柱箱溫度為80℃，載氣為高純氦氣，流速為30 mL/min，用中國計量科學研究院生產的CH4標氣進行校準。通過標準氣體和待測氣體的峰面積計算待測氣體的濃度。氣體通量的計算公式如下:

式中，F為甲烷排放通量(mg·m-2·h-1);M為甲烷的摩爾質量(g);V為標準狀態下1mol甲烷氣體的體積(L);H為靜態箱高度;dc/ct為單位時間采氣箱內甲烷氣體濃度的變化率(μmol·mol-1·h-1);T為靜態箱內溫度(℃)。

在水稻收獲期，采集CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地0—30 cm稻田土壤，并測定土壤三價鐵、有效硅和有效鈣含量。與此同時，測定水稻產量特征。

1．3 數據處理

應用Excel 2003和SPSS 13．0統計分析軟件對測定數據進行整理。原始數據的平均值及標準差的計算采用Excel 2003，甲烷產生、氧化與排放的測定數據為9:00與12:00測定結果的平均值，采用SPSS 13．0中One-Way ANONY對不同爐渣施加量比例下稻田甲烷產生、氧化與排放的差異性進行檢驗，顯著性水平小于0．05表示差異性顯著，小于0．01表示差異性極顯著。

2 結果分析

2．1 鐵爐渣對稻田甲烷產生過程的影響

稻田CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷產生量依次為0．06—8．87 mg·m-2·h-1、0．12—8．28 mg·m-2·h-1、0．15—7．84 mg·m-2·h-1和0．17—7．82 mg·m-2·h-1，平均產生量分別為4．68 mg·m-2·h-1、3．92 mg·m-2·h-1、3．14 mg·m-2·h-1和2．76 mg·m-2·h-1，各處理之間差異顯著(P＜0．05)，甲烷產生量表現為CK＞FeⅠ＞FeⅡ＞FeⅢ，FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷產生量分別減少了16%、33%和41%。鐵爐渣施加后明顯減少了稻田甲烷的產生量(P＜0．05)，但甲烷產生量的季節變化規律并未因鐵爐渣的施加而改變(圖2)，3種處理樣地甲烷產生量均在第71天達到最高值，水稻收割前后迅速降低。

2．2 鐵爐渣對稻田甲烷氧化過程的影響

稻田 CK、Fe Ⅰ、Fe Ⅱ和 Fe Ⅲ樣地甲烷氧化量分別是 0．02—1．27、0．09—0．95、0．09—1．54、0．09—2．79 mg·m-2·h-1，平均氧化量為0．46、0．47、0．59、0．55 mg·m-2·h-1。FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷氧化量分別提高了4．4%、9．9%和2．3%。可見，鐵爐渣的施加一定程度上提高了稻田甲烷的氧化量，與對照相比，差異顯著(P＜0．05)。從水稻整個生長季節來看，鐵爐渣施加后水稻生長期大部分時間段(1—71d)增加了甲烷的氧化量，水稻生長后期及收割以后(78—92d)表現不明顯(圖3)。

圖2 稻田甲烷產生量Fig．2 Methane production rate in paddy fields

圖3 稻田甲烷氧化量Fig．3 Methane oxidation in paddy fields

2．3 鐵爐渣對稻田甲烷排放的影響

圖4 稻田甲烷排放季節變化Fig．4 Seasonal methane emission in paddy fields

甲烷的排放量在移栽后15d內很低，之后明顯增加。CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地甲烷排放通量分別為0．04—7．99、0．03—7．33、0．06—6．30、0．08—5．12 mg·m-2·h-1，平均值分別為3．11、2．29、1．76和1．59 mg·m-2·h-1，各處理之間差異顯著(P＜0．05)，其中，2、4和8 mg·hm-2鐵爐渣施加使土壤甲烷排放分別減少了 26．4%、43．3%、48．9%，從水稻整個生長期來看，鐵爐渣施加后明顯減少了稻田甲烷排放(P＜0．05，圖4)。

2．4 鐵爐渣對稻田土壤肥力和水稻產量的影響

稻田CK、FeⅠ、FeⅡ和FeⅢ樣地在水稻收獲階段的產量與土壤理化特征見表1。因為鐵爐渣中含有CaO、SiO2和Fe2O3，其組成分別達到34．9%、40．7%和4．8%，其施加到稻田后，稻田土壤的速效鈣、速效硅和三價鐵含量也不同程度的提高(表1)，稻田土壤養分的增加進而改善水稻產量特征。

3 結論與討論

鐵爐渣施加后，甲烷產生量下降，氧化量提高，并最終導致甲烷排放的降低。鐵爐渣施加減少了甲烷的產生量可能是由于鐵爐渣的施加增加了土壤中鐵的含量，作為重要的電子受體的鐵的增加一定程度上抑制了甲烷的產生過程，主要是通過以下幾種機制來影響甲烷的產生，第一，鐵電子受體將底物的濃度降低到甲烷產生菌不能利用的程度［12］;第二，鐵電子受體將氧化還原電位提高到了超過甲烷產生菌的適應范圍［13-14］;第三，鐵電子受體對甲烷產生菌的毒害作用［15］;第四，鐵電子受體的還原菌組群與產甲烷菌競爭乙酸和電子供體［16］。此外，曲東等［17］研究表明，外源鐵的添加可促進原有土壤鐵的還原過程，這將使得本研究中鐵爐渣的施加后，對甲烷產生底物的競爭從速度與數量兩方面都得到了加強。與此同時，本研究中鐵爐渣施加對甲烷產生的抑制作用表現出隨著水稻植株的生長而增強，這可能與外源底物(如本研究中水稻根系分泌物、脫落物)的輸入促進鐵的還原，從而強化對甲烷產生的抑制作用有關［17］。

表1 收獲階段水稻產量與土壤理化特征Table 1 Rice yield and soil chemical properties at the harvesting stage

鐵爐渣施加對甲烷氧化的影響可能是由于，鐵爐渣顆粒物質的施加，使得土壤的容重降低，孔隙度增加，大氣環境的氧氣進入量可能有所提高，也與鐵爐渣中富含硅，使得根系的泌氧活性增強有關［6］。此外，新近的研究表明，鐵可以作為電子受體在厭氧環境下以甲烷作為電子供體，發生還原作用［18］，依此看來，甲烷發生厭氧氧化也可能是鐵爐渣施加后稻田甲烷氧化量升高的原因之一。

從本研究中鐵爐渣施加對稻田甲烷的減排效量看，明顯高于Ali［6-7］等在韓國同等施加量的甲烷減排效果，這可能是由于本研究觀測期內溫度高于Ali等研究導致的，正如Lovley［16］在土壤培養實驗中發現，三價鐵還原的最適溫度為32—41℃，在這個范圍內，三價鐵還原速率較快，而在高于或低于這個溫度時，三價鐵還原速率較慢。福建稻田生長期溫度范圍基本維持在這個鐵還原的最適溫度范圍，而在韓國水稻生長季的溫度很難一直維持在這個溫度范圍，由此可見，溫度高低導致的對鐵還原速率差異決定了本研究減排效果高于在北方溫帶地區的研究結果。

綜上所述，鐵爐渣的施加可以有效減少稻田甲烷排放，與此同時還可提高水稻產量，因此，從本研究的初步研究結果看，鐵爐渣可作為一種有效地甲烷減排和水稻產量提高的改良劑。當然，其有效性與持續效應還有待于今后進一步開展更為深入的研究。

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