鐵爐渣施加對稻田氧化亞氮通量的影響

林 芳， 藍 妮， 王 純,2， 王維奇,2， 林德華,2

(1. 福建師范大學 地理科學學院， 福建 福州 350007； 2. 福建師范大學 亞熱帶濕地研究中心， 福建 福州 350007)

氣候變暖是當今全球性的環境問題，對人類生存環境的變化有著十分重要的影響，其主要原因是大氣中溫室氣體濃度不斷增加。氧化亞氮(N2O)是主要的溫室氣體之一。其100年尺度的增溫潛勢分別是二氧化碳的296倍，甲烷的13倍[1]。稻田是N2O的重要的來源地，人們對稻谷需求量的增加，以及氮肥的過量使用會導致N2O排放的增加。因此，在擴大糧食生產的同時如何有效地減少稻田N2O排放的研究意義重大。

富含氧化態的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[2-3]，但關于鐵受體在減排稻田甲烷排放的同時，對于另一種重要的溫室氣體N2O的影響如何，尚未見專門報道。深入探討鐵爐渣施加對稻田N2O排放影響的過程與有效性，對于科學評價鐵受體在稻田溫室氣體減排方面應用與推廣具有重要的理論與實踐價值。本研究開展了鐵爐渣施加對稻田N2O通量的影響研究。

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1 392.5 mm，蒸發量為1 413.7 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[4]。實驗區(見圖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[5]，該實驗基地共有稻田7 hm2[6]。土壤耕作層有機碳含量為18.11 g/kg，全氮為1.28 g/kg，全磷為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，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，2011年4月16日機插移栽，機插采用春苗插秧機，株行距14 cm×28 cm。施肥見情況文獻[7]。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

在實驗區選擇相對平整的稻田，設置對照樣地(CK)和施加2 Mg/hm2(Fe I)、4 Mg/hm2(Fe II)和8 Mg/hm2(Fe III)的鐵爐渣樣地，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×2 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，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N2O日通量與季節通量進行測定。靜態箱由頂箱和底座兩部分組成，頂箱長寬高分別為0.3、0.3、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、0.3、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N2O通量，這樣重復測定2次可使N2O通量更加接近于一天的平均值，提高數據的準確性。N2O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N2O氣體70 mL，并打入氣袋內，后每隔15 min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N2O氣體外泄。孔隙水中溶解性N2O的采集采用孔隙水取樣器，并將10 mL孔隙水注入到預先抽真空的密封玻璃瓶(20 mL)，放在冰盒中，帶回實驗室放入冰柜4 ℃保存。

N2O通量為7天測定1次，日通量測定分別于水稻分蘗期(2011年5月20日)和成熟期(2011年7月3日)各測定1次，時間間隔為3 h，孔隙水中溶解性N2O為15天測定1次。

N2O的測定與通量的計算方法參照文獻[8]。孔隙水中N2O濃度c(nmol/L)計算公式[9]如下：

c=[(ch×Vh)/22.4]/Vp

其中Ch為小瓶上部空間N2O濃度c(nL/L)，Vh為小瓶上部空間體積(mL)，Vp為小瓶里孔隙水體積(mL)。

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。N2O季節通量數據為9:00與12:00測定結果的平均值，采用SPSS 13.0中One—Way ANONY對不同比例爐渣施加量的稻田N2O日通量、季節通量和孔隙水中溶解性N2O的差異性進行檢驗，顯著性水平小于0.05表示兩者呈顯著差異性，小于0.01表示兩者間呈極顯著差異。

2 結果與分析

2.1 鐵爐渣施加對生長期稻田N2O通量日變化的影響

分蘗期5月20日(晴)，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地的N2O通量(見圖2)分別為：-14.02～10.73、-19.98～21.25、-14.87～17.54、-16.25～23.32 μg/(m2·h)，平均通量分別為：-1.37、2.78、0.15、3.14 μg/(m2·h)。觀測日內N2O通量各爐渣處理組明顯高于CK組，但差異不顯著(P>0.05)。同時，各爐渣處理組和CK組N2O通量具有明顯的日變化規律，呈降低—升高—降低的趨勢。其中，Fe I樣地的變幅最大，Fe II和Fe III樣地次之，CK組變幅最小，這說明爐渣的施加增加了N2O通量日變化的異質性，但觀測日各爐渣處理組與CK組N2O通量差異不顯著(P>0.05)。

成熟期7月3日(陰雨)，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地N2O通量(見圖3)分別為： -28.53～58.08、-268.4～40.411、-24.5～51.477、-18.55～15.593 μg/(m2·h)，平均通量分別為：16.25、2.26、13.57、2.33 μg/(m2·h)。鐵爐渣的施加降低了觀測日內N2O通量，Fe I、Fe II和Fe III樣地對CK組N2O通量減少比例分別約為86.1%、16.5%、85.7%。其中Fe I和Fe III樣地對N2O減排尤為顯著(P<0.05)。

圖2 2011年5月20日稻田N2O通量的變化

圖3 2011年7月3日對N2O通量的變化

2.2 鐵爐渣施加對生長期稻田N2O通量季節變化的影響

CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地N2O季節通量(見圖4)分別為：-84.77～358.83、-19.11～225.23、-59.09～171.17、-89.27～146.62 μg/(m2·h)，平均通量分別為：36.09、28.54、26.97、12.14 μg/(m2·h)，鐵爐渣施加后，降低了N2O的平均通量，但差異不顯著(P>0.05)。N2O累積排放主要集中在水稻移栽后1個月內，CK組和各爐渣處理組N2O通量季節變化并無明顯的差異。

圖4 生長季節稻田N2O通量

對水稻生長期爐渣施加量和N2O排放量進行指數分析發現，CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地生長季稻田N2O排放量分別為79.69、63.02、59.55、26.80 mg/m2，Fe I、Fe II和Fe III樣地對CK組樣地N2O排放減少比例分別為20.9%、25.3%、66.4%，表現為隨著鐵爐渣施加濃度的增加，N2O排放量逐漸降低。N2O排放量y與鐵爐渣施加量x存在以下關系：y=85.117e-0.134 2x，R2=0.934 2。

2.3 鐵爐渣施加對稻田孔隙水N2O濃度變化的影響

測得的稻田孔隙水N2O濃度變化情況見圖5。

CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地深度為0～10、10～20、20～30 cm土層的孔隙水N2O平均濃度分別為：1.566 6、0.417 5、1.257 4、1.078 9 nmol/L；0.519 0、0.443 2、0.413 5、0.384 2 nmol/L；0.739 1、0.349 7、0.382 0、0.533 0 nmol/L。在0～10 cm土層， Fe I、Fe II和Fe III樣地對CK組N2O平均濃度減少分別為73.3%、19.7%、31.1%，Fe I對孔隙水中N2O的減排最為顯著(P<0.05)；CK和Fe III樣地在中期N2O濃度出現峰值，Fe II在中期出現一個次高峰在后期出現最高峰；在10～20 cm土層， Fe I、Fe II和Fe III樣地對CK組N2O平均濃度減少比例分別為14.6%、20.3%、26.0%，表現為各爐渣處理組對稻田孔隙水N2O濃度減排均不明顯；在20～30 cm土層，Fe I、Fe II和Fe III樣地對CK組N2O平均濃度減少比例分別為52.7%、48.3%、27.9%。Fe I對孔隙水中N2O的減排最顯著(P<0.05)，Fe II次之，Fe III相對CK組減排比例最小。0～10 cm土層和第20～30 cm土層爐渣施加對稻田孔隙水N2O濃度的減少幅度都大于10～20 cm土層。

圖5 稻田各層孔隙水N2O濃度

2.4 鐵爐渣施加對非生長季節稻田N2O排放的影響

CK、Fe I、Fe II和Fe III樣地非生長季節稻田N2O通量依次為： 14.34～285.28、2.44～211.06、18.34～111.35、-12.33～52.15 μg/(m2·h)，平均通量分別為：176.78、76.42、68.12、19.91 μg/(m2·h)，隨著爐渣添加量的增加N2O通量相應減少(見圖6)，Fe I、Fe II和Fe III樣地對CK組N2O通量減少比例分別為56.8%、61.5%、88.7%。CK組的變幅最大，Fe I、Fe II樣地次之，Fe III變幅最小。CK組變化程度是Fe III樣地的4.2倍。

圖6 非生長季稻田N2O通量

3 結論與討論

對比5月20日(晴)和7月3日(陰雨)鐵爐渣施加對稻田N2O排放日變化的影響發現， N2O排放低時(5月20日)，鐵爐渣施加對稻田N2O排放影響不明顯，而N2O排放相對較高時(7月3日)鐵爐渣施加降低了稻田N2O排放。究竟是什么原因導致這種差異，有待于今后進一步的深入研究。鐵爐渣施加后對稻田N2O排放的季節變化影響不明顯，這可能是因為N2O的排放是產生、傳輸、排放綜合作用的結果[10]，但前期排放較高，與稻田管理中的施肥情況有關[11]。土壤N2O排放通量取決于土壤硝化與反硝化的反應速率、N2O在反應產物中的比例及N2O逸散進入大氣前在土壤中的擴散程度和被還原程度[12]。隨著鐵爐渣濃度的增加，土壤各層孔隙水中N2O的濃度不斷減小，這與Huang等[13]研究結論相似，總體來看， 0～10 cm 層N2O的濃度最高，主要原因有以下兩點：一是受到施肥的影響，使得表層氮源較為豐富，有利于N2O的生成和積累；二是地表干濕交替的頻率高于底層，也有利于N2O的生成和積聚。基于此，本研究初步推斷稻田土壤表層可能是N2O生成的主要發生層。此外，從不同層次孔隙水N2O濃度的變化趨勢看，表層孔隙水N2O濃度的波動性較大，這與稻田土壤表層多變的環境條件密切相關，而底層N2O濃度的穩定性也正是環境相對穩定性的表現。

非生長季稻田N2O的排放量隨著鐵爐渣濃度的增加而相應減少。生長季節的稻田N2O的排放量小于非生長季節，且都隨著爐渣施加量的增加而減小。這主要是由于水稻成熟前稻田長期處于淹水狀態，土壤缺氧，氧化還原電位較低，N2O排放較少，而收獲后排干曬田，提高了氧化還原電位，有利于土壤硝化反硝化反應同時進行，從而導致觀測后期N2O排放量急劇上升[14-15]。

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