稻田土壤氧化態有機碳組分變化及其與甲烷排放的關聯性

吳家梅，紀雄輝,霍蓮杰，彭 華，劉 勇

(1. 中南大學研究生院隆平分院，長沙 410125；2. 農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，長沙 410125；3. 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；4. 湖南省植物保護研究所，長沙 410125)

稻田土壤氧化態有機碳組分變化及其與甲烷排放的關聯性

吳家梅1,2,3，紀雄輝2,3,*,霍蓮杰1,3，彭 華2,3，劉 勇4

(1. 中南大學研究生院隆平分院，長沙 410125；2. 農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，長沙 410125；3. 湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；4. 湖南省植物保護研究所，長沙 410125)

稻田土壤有機碳是甲烷排放的關鍵底物之一，不同研究者由于采取的有機碳研究方法不同而得出稻田甲烷排放與土壤有機碳關系的結論不一。為明確影響稻田甲烷排放的土壤有機碳組分，設計了稻田施用不同外源有機碳(稻草還田、雞糞和豬糞)的田間試驗，對稻田甲烷排放和土壤有機碳組分的動態變化及其關聯性進行監測和分析。結果表明，豬糞處理的甲烷排放與化肥處理無顯著差異，而雞糞和稻草2個處理的甲烷排放分別比化肥增加1.67倍(P<0.05)，2.69倍(P<0.05)；甲烷排放量與土壤易氧化有機碳含量顯示相同順序：稻草>雞糞>豬糞>化肥；通徑分析表明，土壤易氧化有機碳組分1(被33 mmol/L KMnO4氧化的有機碳)與甲烷排放直接相關，其他有機碳組分僅通過組分1間接作用于水稻生育后期甲烷排放，且排放量較低。由此推斷，易氧化有機碳組分1是甲烷排放的主要底物，通過有效措施降低肥源中易氧化態有機碳組分1是減排甲烷的關鍵技術之一。

甲烷排放；土壤易氧化有機碳；組分1；關聯性

CH4是最重要的溫室氣體之一，對全球變暖的貢獻占20%—39%[1]。CH4被認為是僅次于CO2的重要溫室氣體之一[2]。稻田是大氣CH4的重要排放源之一[3- 4]，年排放量占全球CH4總排放的5%—19%[1]。中國稻田面積占世界水稻種植面積的23%，稻田CH4排放在我國農業溫室氣體排放總量中占有重要的份額，其減排機制與措施的研究成為農田生態環境領域的熱點。

關于土壤有機碳與CH4排放關系，由于采取的碳分類方法差異得出的結論不盡一致[5- 6]。由于土壤中的有機碳成分復雜且土壤間差異較大，盡管普遍認為土壤總有機碳是稻田產CH4的底物，但因土壤有機碳積累及稻田土壤條件差異，仍無法說明土壤有機碳與稻田甲烷排放的關聯性。相比土壤總有機碳，許多研究者發現土壤中活性有機碳變化比較敏感，是微生物生長的速效基質，其含量的高低直接影響土壤微生物的活性，從而影響甲烷氣體的排放。Wang等認為產甲烷菌需要額外的速效碳源來激活[7]。Yagi等指出CH4排放量和易礦化碳呈明顯的線性關系[8]。Vermoesen 研究土壤水溶性有機碳的含量與CH4的產生量顯著相關[9]。而焦燕等研究表明，CH4排放與土壤中的水溶性有機碳含量未表現明顯相關性[10]。

Logninow將土壤中的有機碳按氧化程度分成3個組分[11]，而能被333mmol/L高錳酸鉀溶液氧化的有機質在種植作物時變化最大。Chan[12]和 Blair[13]研究采用高錳酸鉀氧化法測定的有機碳組分可作為農業可持續發展的指標。本文擬通過監測稻田施用不同類型外源有機碳后土壤易氧化有機碳動態和甲烷排放規律，探討土壤氧化態有機碳組分之間的變化及與甲烷排放的關聯性，為稻田甲烷排放的有機肥管理技術提供基礎支撐。

1.1 供試土壤

不同施肥處理定位試驗于2010年在湖南省長沙縣干杉鄉大屋組進行(N 28°08′18″，E 113°12′0″)，該地區海拔42 m，年平均溫度為17.1 ℃，年降水量1,500 mm，年≥10 ℃積溫5300—6500 ℃，為南方典型的水稻生產區。土壤類型為第四紀紅壤發育的紅黃泥水稻土，化學性狀：土壤pH值6.0，有機碳19.3 g/kg、全氮2.04 g/kg、全磷0.85 g/kg、全鉀9.2 g/kg、堿解氮212 mg/kg、Olsen-P 11.1 mg/kg、交換性鉀97 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2010年開始，共設置5個處理：1)無肥(CK)；2)化肥氮磷鉀(CF)；3)豬糞+化肥氮磷鉀(PM)；4)雞糞+化肥氮磷鉀(CM)；5)稻草+化肥氮磷鉀(RS)。每個處理3個重復，采用單因素隨機區組設計。各個小區長3.0 m，寬2.8 m，每個小區田埂和區組之間的排灌水溝田埂均用塑料膜包裹隔開。插秧前期田間保持淹水狀態。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀，有機肥為風干腐熟肥料，不同有機肥處理所施入土壤C保持一致，均為2850 kg/hm2，同時利用尿素調控施入的氮量(有機氮+無機氮)一致。稻草施用前剪成20 cm小段，撒入田間與15 cm土層混勻。具體的有機肥的性質和不同處理的肥料施用量見表1和表2。水分管理和病蟲草害防治與當地大面積生產相一致。

水稻品種為準兩優608，2011年6月1日播種，17日施有機肥，22日施化肥，23日移栽。水稻的返青期、分蘗期水稻保持淹水狀態，田面水約在1—5 cm左右。7月19日水稻進入分蘗盛期開始排水，持續到8月25日。8月26日開始灌水，從8月26日到9月25日水稻土壤保持干濕交替狀態，10月30日排干水，持續到水稻成熟，10月9日收獲。

表1 有機肥的養分含量及施用量

表2 不同處理的有機肥、化肥養分施入量

1.3 測定項目

1.3.1 氣體采集與分析

CH4的采樣時間于2011年6月21日至10月8日間，每周采樣1次。采用密閉靜態箱測定，每次采樣時間固定在9:00—10:00，采樣時間分別為罩箱后的0、10、20、30 min，每次抽取45 mL氣體樣品。氣體樣品采用Agilent 7890A氣相色譜儀分析,檢測器FID,檢測溫度250 ℃,柱溫50 ℃，標準氣體由國家標準物質中心提供。稻田CH4排放通量的計算見Zheng的方法[14]。

1.3.2 土壤采集與分析

土壤的采集時間為2011年6月21日至10月8日，分別在苗期、分蘗期、拔節期、孕穗期、灌漿期、乳熟期和成熟期采樣，土壤鮮樣裝入低溫貯藏箱并迅速運回實驗室，直接用新鮮土壤進行分析。采用33 mmol/L、167 mmol/L和333 mmol/L高錳酸鉀浸提測定土壤易氧化有機碳[11]。

組分1：33 mmol/L高錳酸鉀浸提測定土壤活性有機碳；

組分2：167 mmol/L與33 mmol/L高錳酸鉀浸提土壤活性有機碳之差；

組分3：333 mmol/L與167 mmol/L高錳酸鉀浸提土壤活性有機碳之差。

1.4 統計分析

最后的數據采用3次結果的平均值±標準偏差，數據統計分析利用SPSS 17.0，按照隨機區組設計，比較不同處理間的差異顯著性，L.S.D多重比較進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理稻田甲烷排放的變化

2.1.1 稻田甲烷排放通量動態變化

圖1 不同施肥處理稻田CH4排放通量季節變化Fig.1 The seasonal variation of CH4 emissions from rice

由不同施肥處理稻田CH4排放通量季節變化(圖1)可見，不同處理稻田甲烷主要排放在施有機肥到8月5日(拔節期)，之后的排放逐漸減少，一直持續到水稻成熟。施用稻草和雞糞處理的甲烷排放通量顯著高于其他處理，豬糞、化肥和無肥處理排放較低，且沒有顯著排放差異。稻草和雞糞處理的甲烷排放模式一致，而豬糞處理與無肥和化肥處理排放模式保持一致。在施用有機肥后，稻草和雞糞處理分別達到處理的最高峰，排放通量的峰值最大是稻草處理，達到221.6 mg·m-2·h-1，其次是施用雞糞處理，為128.2 mg·m-2·h-1，豬糞、化肥和無肥處理的前期排放波動不大，主要在1.5—30.4 mg·m-2·h-1之間。所有的甲烷排放均集中在施肥到分蘗期，占了全部排放總量的59.4%—80.7%。

2.1.2 不同時期的甲烷排放量

表3可見，不同施肥處理的一季稻田甲烷排放總量在257.7—794.9 kg/hm2，排放總量的順序為稻草>雞糞>豬糞>化肥>無肥。豬糞稻草、雞糞和豬糞處理分別是化肥處理的1.2倍、1.7倍(P<0.05)和2.7(P<0.05)倍。

水稻不同時期的甲烷排放量可見(表3)，水稻的主要排放時期在苗期、分蘗期、拔節期和抽穗期，占總排放量的91.1%—96.6%，之后的時期排放大大的減少。不同時期均表現為稻草處理排放量>雞糞處理>豬糞處理>無肥和化肥處理，化肥和無肥處理排放差別不大。其中無肥、化肥和豬糞處理在甲烷排放量在分蘗期最高，而雞糞和稻草處理排放峰值提前，在苗期最高。

表3 水稻不同時期的甲烷排放量

表中小寫字母代表處理間Duncan多重比較P<0.05顯著水平

2.2 土壤易氧化態有機碳與排放的關系變化

2.2.1 土壤易氧化態有機碳

(1)不同時期土壤易氧化態有機碳變化動態

表4為不同組分土壤易氧化有機碳在整個稻季的變化情況。易氧化有機碳組分1含量在1.7—3.6 g/kg之間；在苗期含量低，在分蘗期達到最高值后含量隨之下降，灌漿期略有提高，成熟期降到整個生育期的最小值。

易氧化有機碳組分2含量在灌漿期達到最高值，含量隨之下降，施用有機肥處理的組分2 含量在乳熟期略有提高，成熟期降到整個生育期的最小值。易氧化有機碳組分3的波動較大，從苗期呈“W”形波動減少。

(2)土壤易氧化態有機碳組分比例

水稻不同生育期所有處理的土壤易氧化態碳組分含量均表現為組分1>組分2>組分3。組分1占易氧化態有機碳的比例最高，為42.7%—65.0%；其次為組分2，23.3%—48.9%；組分3占的比例最小，2.7%—17.1%。

表4 2011年水稻不同時期的土壤易氧化有機碳(g/kg)

(3)不同處理間土壤易氧化態有機碳組分的關系

不同處理間易氧化有機碳組分1可以看出，在水稻的不同生育期的各個處理間的易氧化有機碳均為稻草處理高于雞糞高于豬糞、化肥和無肥處理。不同生育期的稻草、雞糞處理顯著高于無肥和化肥處理。

不同處理間易氧化有機碳組分2的不同生育期也為稻草處理高于雞糞高于豬糞、化肥和無肥處理，在苗期各處理無顯著性差異，分蘗期和拔節期為有機肥處理顯著高于無肥處理，抽穗期是稻草和雞糞處理高于無肥處理。

不同處理間易氧化有機碳組分3含量為稻草處理高于雞糞高于豬糞、化肥和無肥處理。在苗期、拔節期、抽穗期、成熟期不同處理間無顯著性差異，其他處理為稻草和雞糞處理顯著高于無肥和化肥處理。

(4)易氧化有機碳組分間的關聯

通過相關性分析表明(表5)，分蘗期、拔節期、乳熟期和成熟期的可氧化有機碳組分2的含量與組分1的各個時期均呈顯著的相關性。苗期組分2與組分1和組分3的各個時期無相關性。

拔節期的組分2與拔節期、抽穗期、灌漿期、乳熟期及成熟期的組分1均呈極顯著的相關性。抽穗期的組分2與抽穗期、乳熟期的組分1呈極顯著相關性。苗期的組分3與灌漿期的組分2呈極顯著相關性。分蘗期的組分3與分蘗期、拔節期、乳熟期和成熟期的組分2呈顯著相關性。拔節期的組分3與拔節期、灌漿期的組分2呈顯著相關性。

表5 水稻不同時期的土壤易氧化有機碳之間的相互關系

*代表P<0.05的顯著水平，**代表P<0.01的極顯著水平極顯著水平

2.2.2 土壤易氧化有機碳與排放的關系

對不同有機碳組分與排放量進行通徑分析。通過分析得到模型：

y= -393.6 + 237.7x1- 63.0x2- 21.6x3

式中，y為甲烷排放量，x1為組分1含量，x2為組分2含量，x3為組分3含量，F=21.43，P<0.0001，達到極顯著水平。

y對x1、x2和x3通徑系數分析表明(表6)，不同組分易氧化有機碳對甲烷排放量的作用依次為組分1>組分3>組分2。組分1與排放量的相關系數最大，直接通徑系數也最大，均達到極顯著水平，組分1通過其他組分的間接效應較小，這說明組分1對甲烷排放的作用主要來自本身。

組分2與排放的相關系數和直接通徑系數均達到到極顯著水平，其他組分通過組分2的間接通徑系數為負值，說明其他組分通過組分2的間接作用都不大，組分2對甲烷的影響為負作用。

組分3與排放通量的相關系數在組分1和2之間，對甲烷的直接通經系數為負值也達到了顯著水平，其他組分通過組分3對甲烷排放作用中的間接同進系數均為負值，說明其他組分通過組分3的間接作用都不大。

表6 土壤易氧化有機碳與排放總量的通徑分析

下劃線“ ”的數據為直接通徑系數，其余為間接通徑系數

3 討論

3.1 稻田甲烷排放量

水稻的不同時期有不同的排放量，一般水稻的排放高峰在生育前期，水稻甲烷的季節排放在抽穗期或灌漿期后排放開始降低[15]，我們的研究結果也表明，水稻生育前期甲烷排放量高，施肥到分蘗期結束后占整個排放的80%左右。

一般的研究結果認為，水稻在分蘗期的甲烷排放量最高[16]，因為此時期氣溫較高，植物體通氣組織已比較發達，傳輸CH4的凈效應(CH4傳輸率減去CH4氧化率)比較大[17- 18]。研究結果顯示無肥、化肥和豬糞處理的排放量在分蘗期最高，苗期次之，而雞糞和稻草的排放量在苗期的排放量最高，苗期次之。主要的原因可能是與施入有機肥的易分解程度及可被微生物利用的碳等有關。雖然試驗所用的有機肥保持相同的施碳量，但是豬糞、雞糞和稻草中的能被33 mmol/L高錳酸鉀氧化的易氧化有機碳的含量分別為11.9，19.3和36.2g/kg，導致有機肥施入稻田后，就直接進入土壤水中[19]，能馬上為被微生物利用，引起甲烷的大量排放，而豬糞處理雖然引起的甲烷的排放，但是水稻在不施肥的情況下分蘗期本身引起的排放較高，達到119.7 kg/hm2，超過了由此肥料引起的排放，致使豬糞處理在分蘗期排放量最大。

許多研究證實了外源有機碳顯著提高甲烷菌活性、激發土壤有機質產生甲烷、促進稻田甲烷排放[8,10,20- 22]。尤其是稻草直接還田，與不施用稻草相比，Ma 等表明不同方式的稻草還田增加甲烷排放3.9—10.5倍[23- 24]。去年的結果證實稻草還田增加甲烷排放 4.26倍[25]。田間觀測結果也表明，施用有機肥尤其是稻田還田處理，顯著提高了稻田甲烷排放，稻草、雞糞和豬糞處理的CH4總排放量是分別是化肥處理的1.2、1.7和2.7倍。

產生甲烷的基質主要來源于土壤中的有機物質、外源有機物質(人為施入和動植物殘體)。增加外源碳輸入是提高土壤有機碳的唯一手段，但是不同外源碳對土壤有機碳總量和類型的影響是有差異的，引起的碳排放也是不同的。那么必然存在某一部分有機碳與甲烷排放有相關性。這些有機物質首先在微生物的作用下分解成形態相對簡單的有機物如糖類、有機酸等，然后進一步轉化成產甲烷前體。本研究所用的稻草、雞糞和豬糞等外源有機碳所含的纖維素和半纖維素含量均為：稻草>雞糞>豬糞。在土壤中纖維素和半纖維素是屬于還原能力較強的有機物質，淹水環境下其水解發酵和產甲烷過程中起著十分重要的作用[26]。

3.2 甲烷排放量與有機碳組分的關系

土壤中易氧化有機碳組分1、2和組分3的含量在不同的生育期均為稻草處理高于雞糞高于豬糞、化肥和無肥處理。其中組分1在不同生育期的稻草、雞糞處理還顯著高于無肥和化肥處理。這與稻田甲烷的排放通量保持一致的趨勢。由此可見，稻田甲烷排放和土壤中易氧化有機碳含量有相同的變化趨勢。可能的原因是在稻田淹水的還原環境下，有機物的數量和對厭氧微生物的有效性在甲烷形成過程中起著決定性作用[26]。土壤中的活性有機碳在土壤易移動、易分解，能被微生物利用作為碳源[27]，易氧化有機碳屬于活性有機碳類型，在淹水稻田土壤中容易分解且變化比較明顯，因此土壤中易氧化有機碳的含量與甲烷排放的關系非常密切。

有機碳組分與甲烷排放量的通徑分析結果表明，不同組分易氧化有機碳對甲烷排放量的作用依次為組分1>組分3>組分2。組分1與排放量的相關系數最大，且對甲烷排放的作用主要來自本身，而組分2和3對甲烷的影響為負作用。可見土壤中易氧化有機碳碳組分1顯著的影響甲烷排放。在稻田甲烷的排放研究中，推測選擇施用能被33 mmol/L高錳酸鉀易氧化有機碳的有機肥，可能減少稻田甲烷排放。

3.3 水稻生育時期與土壤有機碳組分的關系

一般認為，施入土壤中的有機物料(如作物殘茬、秸稈、有機肥等)可分為易分解與難分解兩組分[28- 29]。而組分之間可以轉化，尤其是難分解的組分，在環境適宜的條件和微生物的作用下向易分解的轉化。通過對土壤中各組分的相關性分析可以得出，組分2的分蘗期和拔節期分別與組分1此時期及后面的時期呈顯著相關性，可以推測出，組分2的易氧化的有機碳在分蘗期和拔節期分別向組分1的此生育期及之后的生育期轉化，可能是因為在水稻的根系氧化力在分蘗期最高，其次是齊穗期，而成熟期的氧化能力最低[30- 31]，由于根系在分蘗期和拔節期的氧化能力強，因此在此時期的施入土壤中的難分解的有機碳被部分的分解，導致組分2的含量向組分1轉化。而組分3的分蘗和拔節期分別與組分2的部分時期的相關性也說明了組分3在分蘗和拔節期想組分2轉化。由于分蘗期、拔節期的根系活性強，分泌物多，造成土壤中的難分解的氧化有機碳向易分解的有機碳轉化。

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FractionchangesofoxidationorganiccarboninpaddysoilanditscorrelationwithCH4emissionfluxes

WU Jiamei1,2,3, JI Xionghui2,3,*, HUO Lianjie1,3，PENG Hua2,3，LIU Yong4

1BranchofLongping,GraduateCollege,CentralSouthUniversity,Changsha410125,China2KeyLaboratoryofAgri-EnvironmentinMidstreamofYangtzePlain,MinisterofAgriculture,Changsha410125,China3InstituteofSoilandFertilizerinHunanProvince,Changsha410125,China4HunanPlantProtectionInstitute,Changsha410125,China

Application of organic manure increases methane emissions from rice paddy fields by increasing soil organic matter. Soil organic carbon is one of the key substrates that affect methane emission from paddy soils. Different methods of researching organic carbon have been used by different researchers which have led to different conclusions regarding correlations between organic carbon and methane emission from paddy soils. To define how methane emission is influenced by fractions of soil organic carbon, a paddy field experiment with application of different exogenous organic carbon (rice straw + chemical fertilizer, chicken manure + chemical fertilizer and pig manure + chemical fertilizer) was used to monitor and analyze methane emission, changes in organic carbon fractions and their correlation. A week after application of organic manure, rice straw +chemical fertilizer (RS) and chicken manure + chemical fertilizer (CM) showed emission peaks of 221.6 and 128.2 mg·m-2·h-1, respectively. The methane emission was mainly concentrated before the heading stage. The amount of methane emitted in the growing season following the chemical fertilizer (CF) treatment was 296.0 kg/hm2and following the pig manure + chemical fertilizer (PM), CM, and RS treatments were 340.7, 493.6 and 794.8 kg/hm2, respectively. There was no significant difference in methane emissions between the PM and CF treatments, while emissions from the CM and RS treatments were 1.67 times (P< 0.05) and 2.69 times (P< 0.05) higher than from the CF treatment, respectively. Amounts of methane emission and the content of oxidizable organic carbon in the paddy soil followed the same order: RS > CM > PM > CF and no fertilizers. The content of organic C fractions followed the order: fraction 1 (organic C oxidizable by 33 mmol/L KMnO4) > fraction 2 (the difference in C oxidizable by 167 mmol/L and that by 33 mmol/L KMnO4) > fraction 3 (the difference in C oxidizable by 333 mmol/L and that by 167 mmol/L KMnO4). Fraction 1 was the highest proportion of the easily oxidizable organic carbon at 42.7%—65%; followed by fraction 2 at 23.3%—48.9%; and fraction 3 was the smallest at 2.7%—17.1%. Fractions 1 and 2 in the tilling stage were higher than in the other stages in rice growth, and were a minimum in the mature rice. Fraction 1 in the rice growing season showed the same trend with methane emission as the RS and CM treatments, being obviously higher than the CF and no fertilizer treatments. Results of path analysis showed that, for fraction 1, the direct path coefficient and correlation coefficient were extremely significant at 1.0381 and 0.6709, respectively, whereas the direct path coefficients of fraction 2 and fraction 3 had negative values. Among all the organic carbon fractions, fraction 1was directly related to methane emission, while the other organic carbon fractions were only indirectly related to methane emission through fraction 1 during the later growth stages of rice, and the emission amounts were lower. Taken together, our results show that fraction 1 of the oxidizable organic carbon was the primary substrate of methane emission. Effective measures causing a decline in fraction 1 as a proportion of oxidation organic carbon in fertilizer resources and soil are possible key technologies for mitigating methane emissions from paddy fields.

CH4emission; soil organic carbon; fraction 1; correlation

國家科技支撐計劃(2013BAD11B02)

2012- 05- 14;

2012- 10- 23

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jixionghui@sohu.com

10.5846/stxb201205140709

吳家梅，紀雄輝，霍蓮杰，彭華，劉勇.稻田土壤氧化態有機碳組分變化及其與甲烷排放的關聯性.生態學報,2013,33(15):4599- 4607.

Wu J M, Ji X H, Huo L J，Peng H，Liu Y.Fraction changes of oxidation organic carbon in paddy soil and its correlation with CH4emission fluxes.Acta Ecologica Sinica,2013,33(15):4599- 4607.