利用節(jié)水抗旱稻協(xié)同減排溫室氣體和面源污染效果研究

孫會峰,周 勝,張繼寧,張鮮鮮,王 從

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海201403;上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201415)

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會報告,2011 年全球大氣中CH4和N2O 年平均濃度已達(dá)到1 803 μg∕L和324 μg∕L,較工業(yè)革命前(722 μg∕L 和270 μg∕L)分別提高增加150%和20%[1]。 稻田過度灌溉使土壤表面較長時間處于淹水狀態(tài),氧化還原電位較低,會促進(jìn)CH4的產(chǎn)生和排放[2],但N2O 排放較少,這是因為其作為土壤反硝化過程的副產(chǎn)物會被進(jìn)一步還原為N2[3]。 如遇到較強(qiáng)降雨或者不合理的人工排水(特別是施肥后),大量的N∕P 養(yǎng)分會隨徑流水進(jìn)入并污染自然水體[4-5]。 中期烤田是稻田常規(guī)的水分管理方式,一方面能促進(jìn)氧氣進(jìn)入水稻根際圈及新根的生成;另一方面還能改變土壤氧化還原狀況,減少厭氧條件下產(chǎn)生的H2S 對根系的毒害。 但中期烤田會使稻田土壤由厭氧狀態(tài)變?yōu)橛醒鯛顟B(tài),極大地抑制CH4的產(chǎn)生[6],且該過程引起的干濕交替可刺激硝化∕反硝化細(xì)菌的活性,促進(jìn)N2O 的產(chǎn)生和排放[7]。

干旱是農(nóng)作物生產(chǎn)的重要限制因素之一,嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量[8]。 近些年來,極端天氣(如高溫、少雨)頻繁發(fā)生,如果淡水資源缺乏或灌溉不及時,往往會影響水稻生長,導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[9-10]。 為保證水稻的安全生產(chǎn)和淡水資源的合理使用,節(jié)水灌溉措施被應(yīng)用到水稻生產(chǎn)過程中,如讓土壤水分保持飽和的濕潤灌溉、讓土壤處于干濕交替的灌溉等,這些措施可有效減少灌溉量,但有一定程度的水稻減產(chǎn)風(fēng)險[11],然而,也有研究表明節(jié)水灌溉措施可提高水稻產(chǎn)量[12],減少CH4排放,增加N2O 排放[13-14],提高水資源的利用率并減少TN∕TP 的徑流損失量[15],減輕對自然水體的污染。 節(jié)水抗旱稻是上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心開發(fā)的系列品種,兼具水稻和旱稻的特性,可在保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)水和抗旱的雙重目的[16]。 前期研究表明,節(jié)水30%灌溉可減少30%—53%CH4排放,節(jié)水70%灌溉可減少51%—77%CH4排放[17]。 在此基礎(chǔ)上,本研究用‘滬旱61’(節(jié)水抗旱稻)和‘秀水134’(普通水稻,作為對照)作為試驗對象,采取常規(guī)灌溉和節(jié)水灌溉處理,研究節(jié)水灌溉對節(jié)水抗旱稻的CH4和N2O 排放量以及TN∕TP 徑流損失量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及土壤基本性質(zhì)

試驗地點位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站(30°53′N,121°23′E)。 該地點處于長江下游地區(qū),屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫16 ℃左右,年平均降水量1 200 mm 左右,其中約60%的雨量集中在5—9 月的汛期。 試驗時間為2017 年5—10 月,大氣日均溫變化范圍為17.4—33.2 ℃(平均26.4 ℃),降雨分布相對分散,總降水量為612 mm(圖1)。 試驗地區(qū)的耕作層土壤深度約為15 cm,其基本理化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)23.7 g∕kg,全氮1.4 g∕kg,堿解氮105.5 mg∕kg,土壤容重1.4 g∕cm,pH 7.6。

1.2 供試品種、試驗設(shè)計及田間栽培管理

‘滬旱61’為節(jié)水抗旱稻,‘秀水134’(普通水稻)作為對照。 所有供試品種于4 月25 日進(jìn)行浸種、催芽,4 月30 日播種于育苗盤育苗,5 月23 日將育苗盤中的幼苗轉(zhuǎn)移到田間苗圃進(jìn)行二次育秧,6 月19 日將苗圃中的幼苗人工移栽到試驗小區(qū)內(nèi)。 小區(qū)株、行距分別為20 cm、25 cm,每穴種植2 株。 每個試驗小區(qū)的面積為60 m2。 用插入土壤表面以下1.1 m 的土工膜澆筑水泥埂進(jìn)行隔離,防止小區(qū)間串水串肥。

試驗采用常規(guī)灌溉和節(jié)水灌溉兩種灌溉方式。 常規(guī)灌溉處理中,除中期烤田(水稻移栽后34—44 d)和水稻收獲前的排水?dāng)R田外,其余時間的稻田土壤表面均存在水層。 而節(jié)水灌溉處理中,只在前期為保證秧苗成活、中期烤田后復(fù)水施肥及抽穗開花期進(jìn)行灌溉,其總灌溉量為常規(guī)灌溉處理的24%。 具體灌溉次數(shù)及總灌溉量見表1。

表1 稻季不同試驗處理的灌溉次數(shù)和總灌溉量Table 1 Irrigation times and amounts from different treatments in the rice growing season

試驗采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每個處理3 次重復(fù),共計12 個小區(qū)。 氮磷鉀的施用量為200 kg∕hm2、100 kg∕hm2、225 kg∕hm2。 氮肥按5∶3∶2的比例作為基肥、蘗肥和穗肥施入;磷肥作為基肥一次性施入;鉀肥施用量的44%以基肥施入,56%以穗肥施入。 各小區(qū)殺蟲劑等農(nóng)藥的使用保持一致,人工拔草。

1.3 監(jiān)測項目

1.3.1 溫室氣體采集及測定

采用靜態(tài)密閉有機(jī)玻璃箱和自主研發(fā)的氣體自動采樣裝置進(jìn)行氣體樣品的采集,CH4和N2O 濃度分析測定由氣相色譜搭載氣體自動進(jìn)樣裝置完成,具體方法見Sun 等[13]。 CH4或N2O 的排放通量通過對同一個采氣箱所獲得的4 個氣體樣品的CH4或N2O 濃度進(jìn)行線性回歸獲得,累加得到累積排放量。 稻田的溫室氣體排放強(qiáng)度是以產(chǎn)量為基礎(chǔ)、表征生產(chǎn)過程中所有溫室氣體排放能力的綜合性指標(biāo)。

式中,TCO2-eq表示溫室氣體排放強(qiáng)度,kg CO2-eq∕t;TCH4和TN2O分別表示CH4和N2O 的累積排放量,kg CH4∕hm2及kg N2O∕hm2;RY表示稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,t∕hm2;28 和265 分別表示在100 年的時間尺度內(nèi),CH4和N2O 的增溫潛勢是CO2的28 和265 倍[1]。

1.3.2 灌溉量、徑流量及徑流水中TN∕TP 的測定

徑流水中的TN 濃度采用總有機(jī)碳∕總氮分析儀(島津TOC-L,日本)進(jìn)行測定;TP 濃度采用鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測定。

1.3.3 稻谷產(chǎn)量測定

利用小型脫粒機(jī)進(jìn)行人工脫粒,并進(jìn)行晾曬、去雜。 取少量稻谷進(jìn)行烘干并計算標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

RY=DW∕(1 -14.5%)

式中,RY表示稻谷標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量,t∕hm2;DW表示稻谷烘干重量,t∕hm2;14.5%表示粳型稻類品種的適合倉庫存儲的標(biāo)準(zhǔn)含水量。

1.4 統(tǒng)計方法

采用SPSS 20.0 軟件中One-way ANOVA 的LSD 檢驗方法對不同處理的產(chǎn)量、CH4和N2O 累積排放量及溫室氣體排放強(qiáng)度之間進(jìn)行多重比較。 采用Microsoft Excel 2013 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻季土壤表面水層深度的變化規(guī)律

常規(guī)灌溉處理稻田基本處于淹水狀態(tài)(中期烤田和收獲前排水落干階段除外),其土壤表面水層深度為1.3—6.2 cm(圖2a);‘滬旱61’的季平均土壤表面水層深度為3.3 cm,略高于‘秀水134’(3.0 cm)。節(jié)水灌溉處理稻田僅在水稻生長前期為保證秧苗成活及中期(水稻移栽后60 d 左右)由于自然降雨而形成一定的水層外,大多數(shù)日期內(nèi)土壤表面水層深度為零(圖2a);‘滬旱61’和‘秀水134’的季平均土壤表面水層深度均為0.2 cm。

2.2 稻季CH4 排放通量的變化規(guī)律

‘滬旱61’和‘秀水134’在常規(guī)灌溉處理下的CH4排放通量季節(jié)變化規(guī)律基本一致。 從稻季開始至中期烤田開始前,常規(guī)灌溉處理的CH4排放通量呈持續(xù)增加的趨勢。 可能的原因主要有兩個:土壤表面的淹水環(huán)境為甲烷菌提供了良好的厭氧還原條件;逐步上升的大氣溫度使土壤溫度提高,刺激產(chǎn)甲烷菌的活性。 在中期烤田初期(水稻移栽后35 d),CH4排放達(dá)到最大值,這可能是之前淹水狀態(tài)產(chǎn)生并累積的CH4在稻田土壤表面水層消失后集中釋放的結(jié)果。 到了中后期,土壤表面水層的消失、O2的介入抑制產(chǎn)甲烷菌的活性但刺激甲烷氧化菌的活性,從而導(dǎo)致該階段CH4排放通量幾乎為零。 隨著中期烤田結(jié)束、稻田復(fù)水,CH4排放通量先緩慢增加,在孕穗后期∕抽穗期出現(xiàn)CH4的較小排放峰值,這與此時水稻較大的根系生物量及較多的根系分泌物刺激產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生更多的CH4有關(guān)。 而后,隨著大氣溫度和土壤表面水層深度的降低逐漸降低至零(圖1 和圖2a,b)。

‘滬旱61’和‘秀水134’在節(jié)水灌溉處理下的CH4排放通量季節(jié)變化規(guī)律也大體一致。 從稻季開始至中期烤田前,節(jié)水灌溉處理的CH4排放通量呈先增加后減少的趨勢(圖2b)。 水稻移栽后14 d 出現(xiàn)一個較大的排放峰值,可能是稻田土壤表面水層消失致使前期累積的CH4集中釋放的結(jié)果。 從中期烤田階段開始至稻季結(jié)束,稻田土壤表面幾乎沒有水層(圖2a),不能保證土壤的淹水厭氧狀態(tài),不利于CH4的產(chǎn)生和排放,因此,CH4排放通量維持在零附近。

2.3 稻季N2O 排放通量的變化規(guī)律

‘滬旱61’和‘秀水134’在常規(guī)或節(jié)水灌溉處理下的季節(jié)變化規(guī)律基本一致。

常規(guī)灌溉處理的N2O 排放主要發(fā)生在中期烤田階段,該階段土壤濕度變動可能會加劇硝化∕反硝化作用,從而導(dǎo)致N2O 的大量排放。 其他時間內(nèi)土壤多處于淹水厭氧狀態(tài),氮素可能會通過反硝化作用被還原成氮氣,因而N2O 排放通量幾乎為零。

節(jié)水灌溉處理的N2O 排放主要發(fā)生在水稻移栽后14—22 d 和45—57 d(圖2c),前者是由稻季土壤表面水層的消失導(dǎo)致土壤濕度變動,從而加劇硝化∕反硝化作用引起的;后者則與氮肥的追施有關(guān)。 其他時間土壤環(huán)境不利于硝化∕反硝化作用,N2O 的排放通量接近于零。

2.4 稻谷產(chǎn)量與溫室氣體累積排放量

常規(guī)或節(jié)水灌溉處理中,‘滬旱61’和‘秀水134’的稻谷產(chǎn)量間并沒有顯著差異(表2)。 但是節(jié)水灌溉處理的稻谷產(chǎn)量比常規(guī)灌溉處理顯著降低12%—17%(P＜0.05),其中‘滬旱61’的減產(chǎn)幅度(12%)低于‘秀水134’(17%)。 ‘滬旱61’和‘秀水134’在節(jié)水灌溉處理的CH4累積排放量較常規(guī)灌溉處理分別降低89%和67%;‘滬旱61’的CH4累積排放量在常規(guī)和節(jié)水灌溉處理較‘秀水134’分別減少14%和72%。 ‘滬旱61’和‘秀水134’在節(jié)水灌溉處理的N2O 累積排放量較常規(guī)灌溉處理則分別提高37%和186%;常規(guī)灌溉處理中‘滬旱61’的N2O 累積排放量較‘秀水134’增加29%,但節(jié)水灌溉處理中‘滬旱61’的N2O 累積排放量較‘秀水134’減少38%。

表2 稻季不同試驗處理的稻谷產(chǎn)量、CH4 和N2O 累積排放量及溫室氣體排放強(qiáng)度Table 2 Rice yields,CH4 and N2O emissions,greenhouse gas emission intensities from different treatments in the rice growing season

節(jié)水灌溉處理中‘滬旱61’的溫室氣體排放強(qiáng)度較常規(guī)灌溉處理降低43%。 然而,‘秀水134’在節(jié)水灌溉處理中N2O 累積排放量較高,致使該處理的溫室氣體排放強(qiáng)度較常規(guī)灌溉處理高5%。 常規(guī)灌溉處理中‘滬旱61’和‘秀水134’的溫室氣體排放強(qiáng)度基本一致;但在節(jié)水灌溉處理中‘滬旱61’的溫室氣體排放強(qiáng)度較‘秀水134’降低46%。

2.5 稻季徑流量與TN∕TP 徑流損失量的變化規(guī)律

常規(guī)灌溉處理的徑流量高于節(jié)水灌溉處理(圖3a)。 常規(guī)灌溉處理在稻季中后期(水稻移栽后51 d和120 d)的徑流量較前期有所增加,而節(jié)水灌溉處理的徑流主要發(fā)生在稻季中后期。 常規(guī)灌溉處理的TN 徑流損失主要發(fā)生在前中期,這主要與氮肥的施用有關(guān);而TP 的徑流損失則主要出現(xiàn)在中后期,這可能與含磷固體顆粒物的徑流損失密切相關(guān)(圖3b,c)。 在稻季中后期,節(jié)水灌溉處理的TN 和TP 徑流損失量均低于常規(guī)灌溉處理。

2.6 稻季總徑流量與TN∕TP 徑流損失總量

由表3 可知,節(jié)水灌溉處理中‘滬旱61’的總徑流量、TN 徑流損失量和TP 徑流損失總量較常規(guī)灌溉處理分別降低了74%、77%和65%,而‘秀水134’則分別減少了71%、71%和74%。 在常規(guī)灌溉處理中‘滬旱61’的總徑流量、TN 和TP 徑流損失總量較‘秀水134’相對減少31%、18%和21%;而在節(jié)水灌溉處理中‘滬旱61’的總徑流量和TN 徑流損失總量較‘秀水134’也相對減少36%和35%,但兩者的TP 徑流損失總量基本一致。

3 討論

3.1 節(jié)水灌溉處理對溫室氣體的減排效果

田間水分是影響稻田CH4和N2O 排放的重要因素之一[18-21]。 節(jié)水灌溉處理改變稻田土壤表面水層變化規(guī)律和土壤濕度狀況,使土壤在較長時間內(nèi)處于無表面水層、好氧狀態(tài),抑制產(chǎn)甲烷菌的活性并刺激甲烷氧化菌的活性[22]。 節(jié)水灌溉處理中,由于灌溉量相對較少,稻季前期土壤表面水層消失時,N2O 大量釋放;在稻季中期,稻田復(fù)水追肥時,同樣出現(xiàn)N2O 排放峰。 節(jié)水灌溉處理的N2O 排放量增加37%—186%,這可能是由于稻田土壤處于無水層、好氧狀態(tài),刺激加速硝化或反硝化過程導(dǎo)致[12]。 與節(jié)水灌溉處理相反,常規(guī)灌溉處理較長時間的淹水厭氧狀態(tài)能促使土壤氮素經(jīng)反硝化過程轉(zhuǎn)化為N2[3]。 相對于常規(guī)灌溉處理,節(jié)水灌溉處理可降低CH4排放,提高N2O 排放[13-14,17,23-24]。

節(jié)水灌溉處理中,節(jié)水抗旱稻‘滬旱61’的CH4和N2O 排放量明顯低于普通水稻‘秀水134’(表2),而Sun 等[13]研究結(jié)果表明,節(jié)水灌溉處理下,節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)8 號’的平均CH4排放量和N2O 排放量均高于普通水稻‘花優(yōu)14’,這可能是由稻類品種本身溫室氣體排放屬性的差異造成的[25]。 常規(guī)灌溉處理下節(jié)水抗旱稻和普通水稻的溫室氣體排放強(qiáng)度基本一致;節(jié)水灌溉處理下節(jié)水抗旱稻的溫室氣體排放強(qiáng)度較常規(guī)灌溉處理降低43%,但普通水稻的溫室氣體排放強(qiáng)度相對增加5%(表2)。 這說明節(jié)水灌溉處理對溫室氣體排放強(qiáng)度的影響很大程度上取決于稻類品種,采取節(jié)水灌溉措施并結(jié)合栽培種植節(jié)水抗旱稻在降低溫室氣體排放強(qiáng)度方面更具優(yōu)勢。

3.2 節(jié)水灌溉處理對面源污染的減排效果

節(jié)水灌溉處理明顯減少灌∕排水次數(shù),可有效節(jié)省勞力。 節(jié)水灌溉處理的總灌溉量和總徑流量僅為常規(guī)灌溉處理的24%和26%—29%,有利于提高水分生產(chǎn)率[9]。 與常規(guī)灌溉處理相比,節(jié)水灌溉處理的TN和TP 徑流損失量顯著減少71%—77%和65%—74%。 這表明節(jié)水灌溉措施可有效降低因稻田養(yǎng)分徑流損失而造成的自然水體污染的風(fēng)險。 在常規(guī)灌溉和節(jié)水灌溉處理中,節(jié)水抗旱稻較普通水稻總徑流量、TN 和TP 徑流損失量均減少。 這表明在兩種灌溉處理下栽培種植節(jié)水抗旱稻均可減少養(yǎng)分徑流損失,減輕自然水體污染程度。

3.3 節(jié)水灌溉處理對產(chǎn)量的影響

節(jié)水灌溉處理使節(jié)水抗旱稻和普通水稻顯著減產(chǎn),有效穗數(shù)和氮肥利用率較低[11,26-28]。 節(jié)水灌溉處理能夠改變土壤水分和氧化還原狀況,從而影響?zhàn)B分在土壤里的轉(zhuǎn)化、分布及生物有效性,最終影響水稻產(chǎn)量[29]。 但也有研究發(fā)現(xiàn),節(jié)水灌溉處理能提高水稻產(chǎn)量[12,30],這可能是因為該處理的土壤中殘留較多的總氮、銨態(tài)氮或硝態(tài)氮,可被水稻吸收利用[12]。

雖然節(jié)水灌溉處理使節(jié)水抗旱稻和普通水稻減產(chǎn),但是節(jié)水抗旱稻的減產(chǎn)幅度(12%)低于普通水稻(17%)。 說明在節(jié)水灌溉條件下,節(jié)水抗旱稻在抗旱∕穩(wěn)產(chǎn)能力上具有一定的優(yōu)勢。 有研究發(fā)現(xiàn),在較為干旱的條件下種植普通水稻品種往往會造成明顯減產(chǎn),但種植具有抗旱特性的旱稻品種則能維持較高的產(chǎn)量[31]。 節(jié)水抗旱稻品種較好的根系性能和較強(qiáng)的生理活性也許是其減產(chǎn)幅度較小的重要生理基礎(chǔ)[27]。

4 結(jié)論

節(jié)水灌溉處理顯著抑制稻田CH4排放但刺激N2O 排放,溫室氣體排放強(qiáng)度取決于稻類品種;可減少稻田的灌溉量和徑流量,降低TN∕TP 的徑流損失量,減小對自然水體的污染風(fēng)險。 但是節(jié)水灌溉處理會造成水稻減產(chǎn),其中節(jié)水抗旱稻減產(chǎn)幅度相對較小。 在兩種灌溉處理下,栽培種植節(jié)水抗旱稻不但能夠獲取與普通水稻相近的產(chǎn)量,而且還能相對降低溫室氣體排放強(qiáng)度和減少TN∕TP 的徑流損失量。 因此,栽培種植節(jié)水抗旱稻并采取節(jié)水灌溉措施可做到溫室氣體和面源污染協(xié)同減排的效果。