生物炭施用和灌溉模式對稻田土壤呼吸日變化的影響

孫 瀟，鄭一丹，王鑫程，楊士紅,3，丁 潔，江賾偉

(1.河海大學農業工程學院，南京 210098；2.河海大學能源與電氣學院，南京 210098； 3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098)

CO2等溫室氣體引起的全球氣候變暖是當今世界備受關注的環境問題，與其密切相關的碳循環機制已成為科學界相關領域的研究熱點[1]。土壤呼吸指土壤通過新陳代謝作用釋放CO2的過程，是陸地生態系統碳循環的重要環節之一。農田生態系統碳循環是陸地生態系統碳循環的重要組成部分[2]，而我國是稻作農業大國，2017年水稻種植面積占糧食作物播種總面積的26.1%，稻谷產量占糧食總產量的32.1%[3]。因此研究稻田生態系統的土壤呼吸對于進一步探析農田生態系統碳循環過程以尋求更多固碳減排途徑具有重要意義。

我國是世界上13個貧水國之一[4]，人均可再生水資源總量只有全球平均水平的1/4[5]。為了緩解水資源嚴重短缺現狀，水稻節水灌溉技術在我國得到了大面積推廣應用。節水灌溉技術在有效節約水資源的同時，也改變了稻田的生態環境，從而引起了稻田土壤呼吸的變化。目前關于稻田土壤呼吸的研究主要集中于淹灌稻田。武文明等[6]、韓廣軒等[7]分別對西雙版納地區和川中丘陵區的淹灌稻田進行研究，結果均表明稻田土壤呼吸日變化為單峰型。而涉及節水灌溉稻田土壤呼吸的研究較少，因此有關灌溉模式對稻田土壤呼吸影響的研究還有待深入。

生物炭是近年來農業、能源與環境等領域的研究熱點[8]。生物炭指農林廢棄物等生物質在缺氧條件下熱裂解形成的穩定的富碳產物[9]，因具有增加土壤碳含量[10]、促進作物生長[11]、提高作物產量[12]及減少溫室氣體排放[13]等優點受到了廣泛關注。目前已有一些關于生物炭施用對稻田土壤呼吸影響的研究。有研究表明，隨著生物炭施用量增加，紫色水稻土CO2累積排放量降低[14]。也有研究表明，生物炭對稻田土壤CO2排放量無顯著影響[15]。以上研究均是在淹灌條件下進行的，而節水灌溉技術和生物炭的聯合應用對稻田土壤是否具有減排效應尚未有研究涉及。因此，本研究基于田間試驗，將水稻無水層控制灌溉技術與生物炭施用相結合，重點分析了生物炭施用對節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化的影響，同時也分析了灌溉模式對稻田土壤呼吸速率日變化的影響，旨在豐富水稻節水灌溉理論，同時為進一步實現稻田生態系統的固碳減排提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山試驗研究基地(34°63′ 21″ N ，121°05′ 22″ E)。試區屬亞熱帶南部季風氣候區，年平均氣溫15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸發量1 365.9 mm，日照時數2 085.9 h，平均無霜期234 d。當地習慣稻麥輪作，土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤質地為重壤土，0～18 cm土層土壤有機質21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全鉀20.86 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤容重1.32 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗在蒸滲儀中進行，每個蒸滲儀面積為5 m2(2.5 m×2 m)。試驗中灌溉模式采用無水層控制灌溉(C)和常規灌溉(F)2種方式。本文重點分析生物炭施用對節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化的影響，故控制灌溉下水稻秸稈生物炭施用量設置3個水平，分別為對照0(A)、中等生物炭施用量20 t/hm2(B)和高生物炭施用量40 t/hm2(C)，常規灌溉下設置高生物炭施用量水平40 t/hm2(FC)，試驗共4個處理(CA、CB、CC與FC)，每個處理設3次重復。控制灌溉處理在返青期田面保留10～30 mm薄水層，以后的各個生育期灌溉后稻田不建立水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標[16]。淹水灌溉按照當地水稻種植習慣管理，除分蘗后期排水曬田和黃熟期自然落干外，其他各生育期均在田面保持3～5 cm水層。

試驗水稻品種為蘇香粳，株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量3～4株。2018年6月25日插秧，10月26日收割。施肥管理根據當地農民的習慣施肥方法和施肥量進行。水稻全生育期共3次施肥，分別為基肥、分蘗肥和穗肥，施用時間分別為6月23日、7月11日和8月6日。基肥施用復合肥(N∶P2O5∶K2O的質量分數比為16%∶12%∶17%)525 kg/hm2和尿素(N的質量分數不低于46.4%)225 kg/hm2，分蘗肥和穗肥分別施用尿素150和120 kg/hm2。氮肥施用總量為312.63 kg/hm2，磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)施用量分別為63和89.25 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

采用透明靜態箱WEST便攜式土壤通量測量系統測定稻田土壤呼吸速率。插秧后在每個小區的植株間放置一個采樣箱底座，底座中不含水稻。

采樣裝置由3部分組成，包括底座、透明柱和WEST便攜式土壤通量測量系統。底座擬采用PVC材料制成，透明柱擬采用有機玻璃制成，底座直徑20 cm，高10 cm，透明柱直徑20 cm，高20 cm。WEST便攜式土壤通量測量系統主要包括氣室和主機2部分，測量主機為LI840分析儀，氣室直徑20 cm，高10 cm。底座、中段透明柱和WEST便攜式土壤通量測量系統氣室通過密封水槽連接。

水稻移栽后，在每個小區中布置一個采樣底座，底座插入植株間的土壤中10 cm。采樣前將WEST便攜式土壤通量測量系統提前20 min開機預熱，并將透明箱各部分安裝好，并確保密封水槽正常工作，然后連接WEST便攜式土壤通量測量系統，設置采樣時間為120～150 s，儀器每秒鐘測量一個CO2濃度值，然后計算CO2濃度變化率，測量完成后依次進行下一個取樣。取樣完成后將WEST便攜式土壤通量測量系統與電腦連接，輸出每個采樣點的CO2濃度變化率，根據CO2濃度變化率計算土壤呼吸速率[公式(1)和(2)]。

F=KS

(1)

(2)

式中：K為累積氣室的影響系數，Mmol·s/(m2·d)；S為CO2濃度變化率，mL/(m3·s)；F為土壤呼吸速率，mol/(m2·d)；P為氣室內部壓強，hPa；R為普適氣體常數，8.314 kPa·L/(K·mol)；Tk為氣室內部溫度，K；V為氣室的體積，m3；A為氣室內徑截面積，m2。

在分蘗期、拔節孕穗期、乳熟期這3個典型生育階段內各選擇天氣晴朗的3～5 d觀測稻田土壤呼吸速率日變化，觀測時間為0∶00、3∶00、6∶00、8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00、22∶00、24∶00。

1.4 數據處理與分析方法

采用Excel 2013進行數據處理、初步分析和繪制圖表。采用SPSS 22.0進行數據方差分析與顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用對節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化的影響

由分蘗期、拔節孕穗期、乳熟期節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化規律可以看出，各處理變化趨勢均呈現多峰型特征(見圖1～圖3)。在分蘗期，土壤呼吸速率總體表現為早晨及上午大于下午及夜晚。CA、CB、CC 3種處理土壤呼吸速率日變化趨勢基本一致，在4∶00-12∶00較大，并在6∶00或10∶00出現了一天中最大值，在其他時段土壤呼吸速率較小且波動平緩，均在16∶00出現了一天中最小值。在拔節孕穗期，可能受持續的多云天氣影響，相對而言3種處理日變化趨勢沒有分蘗期一致且波動劇烈，但同樣呈現出多峰型特征，土壤呼吸速率最大值出現在14∶00或20∶00，最小值則出現在10∶00、16∶00或18∶00。在乳熟期，土壤呼吸速率總體表現為夜晚大于白天。3種處理日變化趨勢基本一致，但與之前2個生育期有所差異的是，土壤呼吸速率從0∶00-16∶00變化均較平緩，在8∶00或12∶00出現了最小值，而在16∶00-24∶00波動劇烈，在22∶00或24∶00出現了最大值。節水灌溉稻田分蘗期、拔節孕穗期、乳熟期土壤呼吸速率日平均值分別為0.138、0.179和0.136 mol/(m2·d)。拔節孕穗期土壤呼吸速率日平均值分別較分蘗期和乳熟期增大了29.71%和31.62%，由此可見土壤呼吸速率受作物生長狀況及氣溫、土溫等因素影響[17-20]，隨著生育期的推進表現出先增加后降低的特征，這與金濤[21]針對湖北省咸寧市紅壤性稻田土壤呼吸速率的研究結論相似。

圖1 分蘗期不同生物炭施用量下節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化Fig.1 Diurnal variation of soil respiration rate of paddy fields under water-saving irrigation with different biochar addition rates during tillering stage

圖2 拔節孕穗期不同生物炭施用量下節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化Fig.2 Diurnal variation of soil respiration rate of paddy fields under water-saving irrigation with different biochar addition rates during jointing-booting stage

圖3 乳熟期不同生物炭施用量下節水灌溉稻田土壤呼吸速率日變化Fig.3 Diurnal variation of soil respiration rate of paddy fields under water-saving irrigation with different biochar addition rates during milk stage

生物炭施用對節水灌溉稻田各生育期土壤呼吸速率日變化均有較大影響。分蘗期CA、CB、CC 3種處理的土壤呼吸速率日均值分別為0.121、0.136和0.158 mol/(m2·d)，與CA處理相比，CB和CC處理分別增大了12.40%和30.58%。拔節孕穗期CA、CB、CC 3種處理的土壤呼吸速率日均值分別為0.171、0.181和0.187 mol/(m2·d)，與CA處理相比，CB和CC處理分別增大了5.85%和9.36%。乳熟期CA、CB、CC 3種處理的土壤呼吸速率日均值分別為0.118、0.139和0.151 mol/(m2·d)，與CA處理相比，CB和CC處理分別增大了17.80%和27.97%。由此看出，生物炭施用增大了各生育期土壤呼吸速率日均值，且增大程度隨生物炭施用量增加而增強。從生育期來看，拔節孕穗期生物炭施用的增大效應弱于另2個生育期。首先，生物炭發達的多孔結構可以增加土壤透氣性[22]，從而為土壤釋放CO2提供了更多通道；其次，生物炭可以為土壤提供營養物質，促進微生物的活性和繁殖，同時也促進有機質的礦化，從而促進了土壤CO2排放[23]；另外，生物炭自身不完全熱解碳水化合物的分解也促進了土壤CO2排放[24]。

目前已有大量研究也表明了生物炭施用可以促進土壤呼吸速率。于曉娜等[25]對植煙土壤的研究表明施用煙桿生物炭的土壤呼吸速率均大于不施用生物炭。王月玲等[1]研究表明添加蘋果枝生物炭顯著增加了小麥生態系統土壤呼吸速率。但同時也有一些不同的報道。田冬等[26]對油菜/玉米輪作農田施用油菜秸稈生物炭，研究發現生物炭施用降低了土壤呼吸速率。Spokas等[27]研究也發現木屑生物炭減少了土壤CO2排放量。Li等[28]研究結果表明施用1%的蘋果枝生物炭降低了土壤C礦化率，而2%和4%的生物炭增加了土壤C礦化率。出現上述結果的不同可能是生物炭類型、生物炭施用量、農田利用方式等因素的不同導致的。如不同生物炭類型，其自身理化性質不同，對土壤的理化特性如酸堿度、土壤電導率、比表面積、孔徑等造成的影響也會有差異，從而引起土壤微生物群落與土壤呼吸的變化[29]。

2.2 灌溉模式對稻田土壤呼吸速率日變化的影響

不同灌溉模式下稻田土壤呼吸速率日變化趨勢基本一致，均呈現多峰型特征(見圖4～圖6)。在分蘗期，CC、FC處理土壤呼吸速率在6∶00和10∶00均出現了峰值，并均在6∶00出現了最大值，分別在16∶00和20∶00出現最小值。在拔節孕穗期，2種處理日變化趨勢均波動劇烈，土壤呼吸速率最大值分別出現在14∶00和12∶00，最小值均出現在16∶00。在乳熟期，2種處理土壤呼吸速率在18∶00-24∶00較大且均在22∶00出現最大值，而在其他時段較小且波動平緩，分別在8∶00和0∶00出現最小值。

灌溉模式對稻田土壤呼吸速率日變化也有一定影響。分蘗期CC和FC處理的土壤呼吸速率日均值分別為0.158和0.141 mol/(m2·d)，CC較FC處理增加了12.06%。拔節孕穗期CC和FC處理的土壤呼吸速率日均值分別為0.187和0.115 mol/(m2·d)，CC較FC處理增大了62.61%。乳熟期CC和FC處理的土壤呼吸速率日均值分別為0.151和0.148 mol/(m2·d)，CC較FC處理增大了2.03%。由此看出，控灌模式在各生育期不同程度地促進了稻田土壤呼吸速率，其中在拔節孕穗期尤為明顯。另外，各生育期控灌稻田土壤呼吸速率日變化幅度均明顯大于淹灌稻田，這可能與2種灌溉模式稻田土壤水分狀況差異較大有關。

圖4 分蘗期不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率日變化Fig.4 Diurnal variation of soil respiration rate of paddy fields under different irrigation modes during tillering stage

圖5 拔節孕穗期不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率日變化Fig.5 Diurnal variation of soil respiration rate of paddy fields under different irrigation modes during jointing-booting stage

圖6 乳熟期不同灌溉模式稻田土壤呼吸速率日變化Fig.6 Diurnal variation of soil respiration rate of paddy fields under different irrigation modes during milk stage

與淹灌模式在絕大部分生育期保持一定的田面水層不同，控灌模式除了返青期外其他各生育期均不建立水層，從而造成了稻田生態環境的差異，導致了稻田土壤呼吸速率的不同變化情況。目前已有大量研究發現稻田水分管理與土壤微生物活性之間存在著密切的關系。侯海軍等[30]研究結果表明間歇灌溉稻田細菌的數量和多樣性均高于長期淹水稻田。Ye等[31]對節水灌溉和淹水灌溉稻田土壤質量進行對比分析后發現，節水灌溉稻田土壤活性物質更多，微生物量碳、氮量更高。陳意超等[32]也研究發現，與常規灌溉相比，干濕交替灌溉稻田土壤中頻繁的干濕交替過程對微生物活性有促進作用。一方面，土壤濕度的降低可以促進土壤有機質分解[33]，從而為微生物提供了更為充足的反應底物，促進了土壤呼吸；另一方面，對于控灌稻田，由于田面缺少水層的阻擋，從而為土壤呼吸產生CO2的釋放提供了便利。

3 結 語

(1)分蘗期、拔節孕穗期、乳熟期稻田土壤呼吸速率日變化趨勢均呈現多峰型特征；節水灌溉稻田土壤呼吸速率隨著水稻生育期的推進表現出先增加后降低的特征。

(2)生物炭施用可以促進節水灌溉稻田土壤呼吸速率，高量生物炭的促進作用更明顯。與對照相比，施用中量生物炭的節水灌溉稻田土壤呼吸速率日均值增大了2.85%～17.80%，施用高量生物炭的節水灌溉稻田土壤呼吸速率日均值增大了9.36%～30.58%。

(3)灌溉模式對稻田土壤呼吸速率日變化也有一定影響。與淹灌模式相比，控灌模式促進了稻田土壤呼吸速率。控灌稻田土壤呼吸速率日均值較淹灌稻田增大了2.03%～62.61%。另外，各生育期控灌稻田土壤呼吸速率日變化幅度均大于淹灌稻田。

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