孔隙結構對水稻土溫室氣體排放的影響①

孫鈺翔，張廣斌，房 煥，張中彬，廖超林，周 虎*

孔隙結構對水稻土溫室氣體排放的影響①

孫鈺翔1,2，張廣斌2，房 煥3，張中彬2，廖超林1*，周 虎2*

(1湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128；2土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 3河海大學農業工程學院，南京 210098)

土壤結構影響水分和氣體的運動和土壤生物活動，進而影響稻田溫室氣體排放。為探明土壤結構對水稻生長過程中溫室氣體排放的影響，選取江蘇宜興的湖白土和江西進賢的紅壤性水稻土進行盆栽試驗。設置不攪動(NP)、攪動(PD)和攪動后掰土回填(RP)3個處理。應用X射線CT成像技術分析不同處理土壤孔隙結構，通過靜態箱法測定水稻生長過程中的溫室氣體排放。結果顯示，PD處理降低了土壤大孔隙度和孔隙連通性，而NP及RP處理的大孔隙較多且連通度高。湖白土PD處理的CH4排放量分別是NP處理的2.5倍和RP處理的14.6倍，相關分析表明湖白土CH4的排放與大孔隙度呈顯著負相關，表明大孔隙度升高會降低CH4排放。紅壤性水稻土NP處理的CH4排放最高，可能是由于NP處理≤30 μm的孔隙度最低，促進了CH4的排放；PD處理提高了N2O排放，相關分析表明N2O排放總量和直徑30 ~ 1 000 μm孔隙呈顯著負相關。兩種土壤RP處理全球增溫潛勢(GWP)強度以及CH4總排放量均顯著低于NP和PD處理。研究結果表明土壤孔隙結構的改變影響稻田溫室氣體的排放，通過改變耕作方式調節土壤結構可能是稻田CH4和N2O減排的途徑之一。

孔隙結構；顯微CT；甲烷；氧化亞氮；全球增溫潛勢

全球氣候變暖是國際社會普遍關注的問題，大氣中的CO2、CH4和N2O等溫室氣體的濃度增高是造成氣候變暖的主要原因。其中，CH4和N2O氣體對溫室效應的貢獻率分別達15% 和5%[1]。稻田是CH4和N2O的主要排放源之一[2]，中國作為世界上最大的水稻生產國，每年稻田CH4的排放量占世界稻田CH4總排放量的18%[3]，N2O的排放量占農田總排放的7.0% ~ 11.0%[4]。因此，研究稻田CH4和N2O的排放規律，對于控制和降低農業生產中溫室氣體的排放，進而緩解溫室效應有著重要的意義。

土壤孔隙結構在溫室氣體產生、運輸和釋放過程中起著重要作用[5-6]。土壤孔隙的數量、大小和形態等直接影響土壤中水分和氣體的運動、土壤氧化還原電位以及土壤微生物的活動，進而影響CH4和N2O的產生與排放[7-8]。Regina等[9]指出土壤中的大孔隙(≥30 μm)越多或者微孔隙(≤2 μm)越少，年均CH4氧化速率越高。Mangalassery等[10]研究表明在沙壤土和黏壤土中土壤孔隙特征(例如總孔隙度和孔徑)顯著影響土壤中CH4的排放，但對N2O的排放沒有影響。而Rochette等[11]認為土壤的孔隙度增加會對重黏土的N2O排放通量造成影響。

對于稻田土壤，耕作、打漿等土壤管理措施會破壞土壤的孔隙結構，改變土壤中微生物生境，從而直接或間接地影響稻田的CH4和N2O產生和擴散[12]。有研究指出減少對土壤的擾動，保護土壤結構，能夠降低土壤CH4的排放[13]，但是對N2O排放的影響結論不一[13-15]。以往的研究主要通過表觀的測定來衡量耕作方式的改變對CH4和N2O排放的影響，但是土壤孔隙結構與溫室氣體排放的關系并不明確。本研究通過盆栽試驗，模擬不同耕作方式下不同土壤孔隙結構，進而研究不同水稻土孔隙結構下CH4和N2O排放規律，為采取合理的稻田土壤管理措施、減少溫室氣體排放提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻土為湖白土和紅壤性水稻土。湖白土采自中國科學院常熟農業生態實驗站宜興基地(119°54′E、31°16′N)，紅壤性水稻土采自位于江西省進賢縣的江西省紅壤研究所實驗地(116°20′E、28°15′N)，樣品均為耕層土壤(0 ~ 20 cm)。土壤樣品在室溫下風干，挑去根系后過5 mm篩備用。供試土壤的基本性質見表1。供試水稻品種為IR64，屬于秈型常規水稻。

表1 供試土壤的基本性質

1.2 試驗設計

采用PVC管(內徑19.5 cm，高度40 cm)填裝土柱。設置3個處理，分別為不攪動(NP)、攪動(PD)和攪動后掰土回填(RP)，創造出不同孔隙結構。每個處理設置6個重復。其中，NP處理將過5 mm篩的風干土分層填裝到土柱中，填裝高度為30 cm，容重為1.1 g/cm3。PD處理將土壤樣品填裝到土柱中，填裝方法與NP處理相同，然后加水飽和，浸泡48 h后用攪拌器(JB-1000型大功率攪拌器)攪動10 min(轉速為500 r/min)。RP處理將土壤樣品先填裝于15 L的鐵桶中，填裝、飽和及攪拌同PD處理一致，然后排水，待土壤落干時，掰成<5 mm的土塊，回填到土柱中，容重為1.1 g/cm3。

盆栽試驗在中國科學院南京土壤研究所溫室內進行。將水稻種子放置于培養皿中，保持濕潤狀態，在培養箱中(35 ℃)催芽2 d。選取出芽接近的種子進行直播(置于土壤表層)，每個土柱播5顆種子，待水稻出苗后間苗，保留兩株長勢接近的植株。水稻出苗后土柱保持淹水(2 cm)，每天澆水，保持各個處理淹水高度一致。水稻分蘗初期(種植35 d)施入分蘗肥(施用尿素3 kg/hm2)，水稻分蘗后期(種植48 d)進行排水5 ~ 7 d，種植77 d后將地上部收獲。

1.3 N2O和CH4的采集和測定

在水稻生長過程中采用靜態箱-氣相色譜法測定溫室氣體排放通量。采氣箱為直徑35 cm、高50 cm的PVC材質圓柱體(圖1)。為了方便采氣，每個土柱上配一個底座以供在收集氣體時使氣箱保持水封(圖1)。在水稻的生育期內每7 d采集一次氣體樣品。采集時間為早上8:50—11:30，在罩箱后的0、12、24和36 min共取4次氣樣。靜態箱密閉后用兩通針將氣體導入18 ml真空玻璃瓶中，每次采集時間不少于20 s，保證氣體樣品足量。采集氣樣的同時記錄氣箱溫度。樣品CH4和N2O濃度用帶氫火焰離子化檢測器(FID)和63Ni電子捕獲檢測器(ECD)的安捷倫氣相色譜(Agilent 7890B)測定。根據4次樣品中氣體濃度的差值，通過線性擬合計算濃度增長斜率，根據以下公式計算氣體排放通量[15]。

式中，為氣體排放通量(單位：CH4為mg/(m2·h)，N2O為μg/(m2·h))，為標準狀態下氣體的密度(CH4為0.714 kg/m3，N2O為1.25 kg/m3)，是采樣箱的凈高度(m)，d/d為單位時間內采樣箱內氣體的濃度變化率，為采樣過程中采樣箱內的平均溫度(°C)。

溫室氣體全球增溫潛勢(GWP)按下式計算[2]。

GWP = CH4排放量×25+N2O排放量×298(2)

1.4 CT掃描與圖像處理

在水稻種植前，用PVC環刀(直徑3 cm，高度3 cm)采集表層土樣。每個處理隨機挑選3個土柱，每個土柱采集3個重復。利用X射線顯微CT (NanotomS，GE，Sensing and Inspection Technologies，GmbH，Wunstorf，德國)掃描土柱。電壓設置為90 kV，電流90 μA，曝光時間1.25 s，空間分辨率為0.016 mm。土柱固定于樣品臺上，從0到360° 勻速旋轉，在此過程中采集1 000幅投影圖像。利用Datosx2/Rec軟件進行圖像重建，之后利用VG Studio Max2.2軟件生成2 302張8位灰度圖像。利用ImageJ軟件進行圖像處理和分析。選擇三維圖像中部的直徑和高度為1 800體元(28.8 mm)的圓柱區域作為感興趣區域(region of interest, ROI)，ROI實際大小為651 mm2× 28.8 mm。利用目視法進行圖像二值化，然后利用BoneJ插件的Volume Fraction計算孔隙度，利用Thickness插件計算孔隙大小分布。將二值化圖像導入Matlab中，根據公式(3)計算孔隙連通度[16]。

式中：PC為土壤孔隙連通度(其區間為0 ~ 1，當PC=1時表明孔隙都屬于同一孔隙；當PC=0時則表明孔隙分散，互不相通)，PV為孔隙體積，為孔隙數量。

1.5 數據處理與統計分析

利用SPSS 25對數據進行統計分析。處理之間參數顯著性差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，應用最小差異顯著法(LSD)進行多重比較，顯著水平為<0.05。相關分析采用皮爾森(Pearson)雙側檢驗法。

2 結果

2.1 兩種土壤不同處理的土壤孔隙結構

圖2為不同處理土壤的二值圖像(ROI區域內黑色部分代表土壤基質，白色部分代表孔隙)。與NP處理相比，PD處理孔隙減少，主要為圓形孔隙且連通性較差。而RP處理和NP處理沒有差異。同湖白土相比，紅壤性水稻土的PD處理大孔隙更少。

通過對CT圖像的定量分析，可以得到圖像分辨率范圍內的大孔隙信息(表2)。湖白土的NP和RP處理之間的大孔隙度差異不顯著，但均顯著高于PD處理(<0.05)。紅壤性水稻土大孔隙度各處理間為NP>RP>PD。兩種土壤PD處理的孔隙連通度均顯著低于其他處理(<0.05)，說明攪動降低了大孔隙度及其連通性。湖白土NP處理直徑≤30 μm、30 ~ 100 μm和100 ~ 500 μm孔隙的孔隙度均顯著高于PD和RP處理(<0.05)；RP處理直徑500 ~ 1 000 μm孔隙的孔隙度顯著高于NP和PD處理(<0.05)。對于紅壤性水稻土，NP處理直徑100 ~ 500 μm和≥1 000 μm孔隙的孔隙度顯著高于RP和PD處理；RP處理直徑500 ~ 1 000 μm孔隙的孔隙度顯著高于NP和PD處理(<0.05)。

表2 不同處理土壤大孔隙度、孔隙連通度及孔隙大小分布

注：NP：不攪拌處理，PD：攪拌處理，RP：攪拌后掰土回填處理；同列小寫字母不同表示同一土壤不同處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

2.2 兩種土壤不同處理的CH4排放通量

水稻生長期的CH4排放通量如圖3。水稻播種后1 ~ 14 d(幼苗期)的CH4排放量較低，兩種土壤各處理間均沒有顯著差異(>0.05)。56 ~ 77 d(排水期后重新淹水)的CH4排放量同樣較低，紅壤性水稻土各處理間沒有顯著差異，但是湖白土PD處理的排放量顯著高于NP和RP處理(<0.05)。CH4排放主要集中在水稻生長的15 ~ 55 d(分蘗期到排水期)，占整個觀測期間排放量的 88.5% ~ 99.6%。湖白土NP、PD和RP處理均在培育第48 天(排水后第一次采樣)CH4排放出現峰值，分別為4.83、6.93、0.56 mg/(m2·h)。15 ~ 48 d CH4排放通量表現為PD>(NP>RP)；49 ~ 55 d為PD>(NP、RP)。紅壤性水稻土CH4排放通量顯著高于湖白土處理(<0.05)，其15 ~ 55 d內趨勢為(NP、PD)>RP。

兩種土壤不同處理的CH4平均排放通量和總排放量見表3，相同處理下紅壤性水稻土均顯著高于湖白土(<0.05)。湖白土PD處理CH4平均排放通量和總排放量均顯著高于NP處理，RP處理顯著低于其他處理(<0.05)；PD處理CH4的總排放量分別是NP和RP處理的2.5倍和14.6倍。而紅壤性水稻土NP和PD處理間CH4平均排放通量和總排放量沒有顯著差異，均顯著高于RP處理(<0.05)；NP和PD處理的CH4總排放量分別是RP處理的17.4倍和13.7倍。

表3 不同處理水稻土CH4和N2O的平均排放通量和總排放量及全球增溫潛勢

2.3 兩種土壤不同處理的N2O排放通量

N2O的排放峰不規則且變異性大(圖4)。在種植后1 ~ 7 d各處理出現峰值，之后保持淹水狀態時各處理的N2O排放較低。35 d施入肥料(尿素)后紅壤性水稻土各處理均出現了一個短暫的峰值。排水后到復水(48 ~ 55 d)期間湖白土各處理的N2O排放量大，復水后(56 ~ 77 d)各處理N2O排放維持在較低水平。

湖白土各處理間N2O平均排放通量和總排放量均沒有顯著差異(表3)(<0.05)，而紅壤性水稻土PD處理則顯著高于NP和RP處理(<0.05)(表3)。紅壤性水稻土NP處理的N2O平均排放通量和總排放量均是湖白土NP處理的50%，而湖白土PD處理的N2O平均排放通量和總排放量均是紅壤性水稻土PD處理的49%。

2.4 兩種土壤不同處理的全球增溫潛勢

由表3可見，觀測期內湖白土排放的CH4和N2O所產生的全球增溫潛勢(GWP)以PD處理的最高，為CO2-eq 852kg/hm2；紅壤性水稻土NP處理最高，為CO2-eq 9 475 kg/hm2。不同處理的GWP大小同CH4總排放量順序相同，湖白土為PD>NP>RP，紅壤性水稻土為NP>PD>RP。由于種植期的N2O排放相對較少，因此CH4對全球增溫潛勢影響最大，占比為50.7% ~ 99.8%。在兩種土壤上，RP處理的CH4和N2O排放總量及其全球增溫潛勢均為最低。

2.5 土壤孔隙結構與溫室氣體排放的關系

相關分析表明(表4)，湖白土各處理的CH4排放總量與大孔隙度和500 ~ 1 000 μm孔隙顯著負相關(<0.05)；N2O排放總量與孔隙連通度和≤30 μm孔隙顯著正相關(<0.05)。紅壤性水稻土CH4排放總量與孔隙連通度和≤30 μm孔隙均呈極顯著負相關(<0.01)，與500 ~ 1 000 μm孔隙呈顯著負相關(<0.05)；N2O排放總量與大孔隙度、100 ~ 500 μm和500 ~ 1 000 μm孔隙呈極顯著負相關(<0.01)，與30 ~ 100 μm孔隙呈顯著負相關(<0.05)。

表4 孔隙連通度及孔隙大小分布與CH4和N2O總排放量的相關性

注：** 表示相關性達<0.01顯著水平，* 表示相關性達<0.05顯著水平。

3 討論

稻田CH4和N2O的排放在水稻生長季內總體呈現不同的規律。本研究中水稻生長過程中CH4排放集中在水稻培育的15 ~ 55 d，約占整個生育季排放量的88.5% ~ 99.6%(圖3)。該階段稻田長期處于淹水狀態，水層限制了空氣和土壤中孔隙的氣體交流，從而導致大氣中的氧氣難以進入土壤，造成土壤中形成缺氧的環境。厭氧環境為產甲烷古菌合成CH4創造了有利條件。同時厭氧環境減少了甲烷排放過程中甲烷氧化菌的氧化，因此CH4排放量高[17]。而本研究中N2O的排放峰不規則且變異性大(圖4)，這可能是因為土壤中產生的N2O很快消散到大氣中而在土壤中沒有明顯的停留時間，具有較大的不確定性[18]。在排水后到復水期(48 ~ 55 d)湖白土各處理的N2O大量排放，這是因為干濕交替過程促進了N2O排放[19-20]。

土壤孔隙結構是土壤中水分和氣體運動的通道和土壤微生物的生境，孔隙結構的改變可能影響土壤溫室氣體的產生與排放[5-8]。本研究通過模擬試驗形成3種土壤孔隙結構。其中，PD處理破壞了大團聚體和大孔隙結構，形成了孤立的球形孔隙，顯著降低了土壤的大孔隙度和孔隙連通度(表2)，與李奕等[21]和Fang等[22]研究結果一致。NP處理由于土壤擾動少，保護了土壤團聚體和大孔隙結構，而RP處理攪動后掰土回填過程中形成了新的大孔隙，因此這兩個處理的大孔隙度和孔隙連通性在兩種土壤中均較高。不同擾動處理對紅壤性水稻土和湖白土孔隙結構的影響存在差異，這可能是由土壤質地的差異造成的。

CH4排放與大孔隙度呈顯著負相關(表4)，說明土壤中的大孔隙度增加會降低CH4排放。湖白土PD處理大孔隙度顯著低于其他處理(表2)，土壤大孔隙的減小有利于厭氧環境的形成，促進土壤中CH4產生[10]，因而PD處理的CH4總排放顯著高于其他處理(<0.05)(表3)。另一方面，由于氣體在大孔隙中擴散更快，土壤大孔隙度的增加使土壤中好氧微生物可利用更多的氧氣作用于有機物，從而減少CH4的排放[7-9]。土壤大孔隙增加的同時也會增加土壤的孔隙連通度，土壤的孔隙連通度的增加也會改善土壤中通氣性，因而抑制產甲烷古菌[23]。本研究中RP處理的孔隙連通度均顯著高于PD處理，相關性分析也表明CH4排放與孔隙連通度呈極顯著負相關(表4)。各處理中RP處理CH4總排放量顯著低于NP和PD處理(<0.05)(表3)，說明RP處理能夠通過增加孔隙度和孔隙連通度降低CH4的排放。

與CH4不同，N2O排放在兩種土壤中和土壤孔隙之間關系存在差異。紅壤性水稻土PD處理N2O總排放量顯著高于其他處理(表3)，這可能是因為土壤攪動破壞了大孔隙和大團聚體，降低孔隙度形成缺氧環境，同時暴露了更多土壤有機物，造成較高的反硝化速率及時長，促進N2O的產生和排放[24-26]。而湖白土PD處理N2O排放并沒有顯著增加，可能是因為湖白土PD處理大孔隙度(4.7%)高于紅壤性水稻土處理(2.4%)，且與其他處理間的差異相對較小。此外，兩種土壤質地存在較大差異，可能是造成N2O排放呈現不同規律的另一個原因[27-28]。Ball[7]指出通過增加土壤孔隙度，或許可以減少N2O排放，原因是隨著孔隙的增大，能更多地運輸氧氣，水氣條件能更好地滿足好氧微生物生長[28]，從而抑制了土壤中的硝化和反硝化作用，使得N2O排放降低。本研究中紅壤性水稻土N2O排放總量與大孔隙度呈顯著負相關(表4)也證實這一點。Kravchenko 等[29]研究也指出N2O排放和30 ~ 120 μm的孔隙度呈顯著負相關，我們研究發現的N2O排放總量與直徑30 ~ 100 μm的孔隙度呈顯著負相關(表4)的結果與此一致。但是，本研究中湖白土并未呈現明顯的規律，說明土壤結構對N2O排放的影響很復雜，需要針對具體的土壤進行深入分析。

由于水稻種植期常處于淹水狀態，N2O排放相對較少，因此CH4對全球增溫潛勢影響最大，CH4對全球增溫潛勢貢獻占比為50.7% ~ 99.8%。本研究中RP處理的全球增溫潛勢顯著低于其他處理(表3)，可能是因為RP處理顯著增加了500 ~ 1 000 μm的孔隙(表2)，抑制了土壤中CH4的排放，相關分析也表明兩種水稻土500 ~ 1 000 μm的孔隙度和CH4總排放量均呈顯著負相關。本研究證實，土壤孔隙結構發生變化會影響溫室氣體排放，土壤孔隙連通度和孔隙大小分布是影響土壤溫室氣體排放的重要因素之一。通過增大土壤大孔隙度是減緩溫室氣體排放的可能途徑。今后需要深入研究土壤孔隙結構的改變影響溫室氣體排放的內在機制，為調控土壤結構進而減少溫室氣體排放提供理論依據。

4 結論

稻田土壤經攪動后大孔隙度和孔隙連通性降低，而重新填裝處理的大孔隙較多且連通性高。湖白土攪拌處理促進了CH4排放，而紅壤性水稻土攪拌處理則顯著增加了N2O排放。兩種水稻土重新填裝處理的CH4和N2O排放和全球增溫潛勢(GWP)均是最低。湖白土CH4排放同土壤大孔隙度顯著負相關，而紅壤性水稻土N2O排放和大孔隙度顯著負相關。結果表明土壤孔隙結構同水稻土溫室氣體排放具有密切關系，但是在不同土壤中呈現規律并不一致，內在機制需要進一步研究。

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Effects of Pore Structure on Greenhouse Gas Emission of Paddy Soils

SUN Yuxiang1,2, ZHANG Guangbin2,FANG Huan3,ZHANG Zhongbin2,LIAO Chaolin1*, ZHOU Hu2*

(1 College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008; 3 College of Agricultural Engineering, Hohai University, Nanjing 210098)

Soil structure affects soil water and gas transportand soil biological activities, thus influence greenhouse gas (GHG) emission from soil. In this study, incubation experiment was conducted in two paddy soils (whitish paddy soil and red paddy soil) to study the effects of pore structures on GHG emissions under different treatments, i.e. non-puddling (NP), puddling (PD), and repacked after puddling (RP). Soil pore structure was determined by using the X-ray computed tomography and image analysis, and GHG emissions during rice growth period were measured by the static box method. The results showed that puddling significantly decreased soil macroporosity and pore connectivity, while NP and RP had more large pores with higher connectivity for both soils. PD promoted CH4emission from whitish paddy soil, which was 2.5 and 14.6 times of NP and RP, respectively. Correlation analysis showed CH4emission negatively correlated with macroporosity, indicating the increase of large porosity will reduce CH4emissions. NP had the highest CH4emission from red paddy soil, possibly due to the lowest porosity of ≤30 μm pores promoting CH4emission. NP significantly increased N2O emissions from red paddy soil, which was negatively correlated with the 30-1 000 μm pores. The global warming potential (GWP) of RP for both soils was significantly lower than other treatments. In conclusion, this study confirms that the change in soil pore structure greatly affected GHG emissions and maintaining a porous soil structure can reduce CH4emission and global warming potential.

Pore structure; Micro CT; CH4; N2O; GWP

S152

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.021

孫鈺翔, 張廣斌, 房煥, 等. 孔隙結構對水稻土溫室氣體排放的影響. 土壤, 2021, 53(1): 154–160.

國家自然科學基金項目(41877022)和國家重點研發計劃項目(2016YFD0300906)資助。

(clliao@163.cm; zhouhu@issas.ac.cn)

孫鈺翔(1995—)，男，湖南益陽人，碩士研究生，主要從事土壤物理結構與農田溫室氣體排放機理研究。E-mail: yxsun16@163.com