不同改良劑對濱海鹽土區(qū)稻田綜合溫室效應的影響

李佳， 張宇， 孫麗英*， 范長華

(1.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所，海口 571101；3.國家農(nóng)業(yè)環(huán)境儋州觀測實驗站，海南 儋州 571700)

我國濱海鹽土面積廣大，是十分重要的土地資源，也是我國發(fā)展農(nóng)牧業(yè)的潛在基地。種植水稻通常被認為是改善濱海鹽土的有效方法之一，因為在水稻生長過程中，土表覆蓋一定深度的水層，可以減少蒸騰作用引起的鹽分向上移動[1]，而且由于水層對土壤的淋溶作用使表土鹽分含量降低，使鹽土在種稻過程中逐漸脫鹽，改善鹽土pH和理化性質(zhì)[2]。但是，濱海鹽土的理化性狀一般較差，不利于水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，因此通常采用添加改良劑的方法來培肥土壤并提高水稻產(chǎn)量。而添加改良劑通常會影響稻田溫室氣體(CH4、N2O)的排放。

稻田是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要來源之一，全球稻田CH4年總排放量約為30 Tg[3-4]，占大氣CH4中人為總排放源的11%左右[5]。鹽漬土鹽分含量高，可能會直接影響作為CH4主要傳導體的稻株生長，并且會間接影響為CH4產(chǎn)生提供底物的根際分泌物[6]。另一方面，鹽漬土的高鹽分也可能通過影響微生物活性來影響CH4的產(chǎn)生[7]。通常，施用有機物質(zhì)類的改良劑會促進水稻生長，為產(chǎn)甲烷菌提供基質(zhì)，從而促進CH4的產(chǎn)生[8]。研究發(fā)現(xiàn)，在不添加有機肥的情況下，濱海鹽漬土稻田中堿斑和非堿斑區(qū)域的CH4排放量沒有顯著差異[9]。施用硫酸鹽含量高的磷石膏經(jīng)常被作為減少CH4排放的方法，因為它能增加甲烷氧化菌pmoA基因豐度，同時降低產(chǎn)甲烷菌mrcA的基因豐度[10]。研究表明，稻田土壤中施加磷石膏可減少季節(jié)性CH4累積排放量[11-12]。稻田烤田期形成的適宜土壤水分條件有利于N2O的排放[13]。我國稻田N2O的排放量占我國農(nóng)田總排放量的7%～11%[14]。目前，有機物質(zhì)對農(nóng)田N2O排放影響的研究結(jié)果并不一致，主要是因為不同的有機肥在含氮量、碳素組成、微生物性狀等方面存在較大差異[15]。禾康改良劑(一種土壤化學改良劑)能夠代換、活化土壤膠體中的鈉離子及其他礦物質(zhì)元素，對重鹽堿土和堿化土的改良有明顯作用[16]。但施用禾康改良劑之后對鹽土區(qū)稻田溫室氣體排放影響尚不清楚，需要進一步研究。

目前，大多數(shù)研究以普通稻田為研究對象，對于正在改造的濱海鹽土稻田則研究較少，尤其是對氮肥配施不同改良劑的稻田，鮮有報道。因此，本研究在江蘇省連云港市東辛農(nóng)場的濱海鹽土稻田區(qū)設置氮肥配施不同改良劑(腐殖酸、磷石膏和禾康改良劑)的田間原位觀測試驗，探索氮肥配施不同鹽土改良劑對濱海鹽土區(qū)水稻生態(tài)系統(tǒng)CH4、N2O排放特征、排放量以及水稻產(chǎn)量的影響，以期為評估濱海鹽土區(qū)水稻生態(tài)系統(tǒng)的CH4、N2O排放總量提供科學依據(jù)，并篩選出最優(yōu)的鹽土改良方式，以減緩農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的凈溫室效應潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2017年7—10月在江蘇省連云港市東辛農(nóng)場濱海鹽土區(qū)稻田(34°57′N, 119°45′E)上進行，該地區(qū)屬于典型的亞熱帶季風氣候。在整個水稻生長周期內(nèi)，平均降雨量為626.5 mm，平均氣溫為23.2 ℃。圖1列出了整個水稻生長季的日平均溫度、10 cm土壤溫度和日降雨量。此地區(qū)進行水稻-小麥輪作長達20多年。試驗田耕作層土壤的基本理化性質(zhì)為pH 8.58；有機碳含量11.77 g·kg-1，總氮量0.92 g·kg-1，氯離子含量為0.16%。

圖1 整個水稻生長季的降雨量、空氣溫度和10 cm土壤溫度

1.2 試驗材料

試驗期間共種植一季水稻，供試水稻品種為淮稻5號，由江蘇省高科種業(yè)科技有限公司提供。本研究中所用的腐殖酸為商用腐殖酸肥料，腐殖酸含量為50%(W/W)，由安徽萊姆佳肥業(yè)有限公司生產(chǎn)。磷石膏由中國石油化工集團，南化公司的磷肥廠提供，主要參數(shù)為pH 2.3，SiO270.1 g·kg-1，P2O530.2 g·kg-1。禾康改良劑(pH 2.5)為商用液體改良劑(北京飛鷹綠地科技發(fā)展有限公司開發(fā)研制)，主要參數(shù)為pH 2.5，容重1.15 g·cm-3，其中富含的氫離子與土壤中引起堿性升高的碳酸根離子、碳酸氫根離子發(fā)生反應，生成水和二氧化碳，能直接降低土壤的堿性。

1.3 試驗設計

田間試驗共設置5個處理：空白處理(N0)，單施氮肥(N1)，氮肥配施腐殖酸(N1H1)，氮肥配施磷石膏(N1G1)，氮肥配施禾康改良劑(N1A1)。每個處理3次重復，采用完全隨機區(qū)組設計。每個小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)。水稻種植、施肥方法以及時間、中期烤田等都按照當?shù)剞r(nóng)場的管理措施進行。除了不施肥處理(N0)外，所有處理的施氮量均相同(以尿素的形式施入)，在整個水稻生長期間均為300 kg·hm-2，并以4∶3∶3的比例按照基肥、分蘗肥、孕穗肥施入稻田中。水稻移栽之前，5個處理均一次性施入等量的磷肥(60 kg·hm-2，過磷酸鈣)和鉀肥(120 kg·hm-2，氯化鉀)作為基肥。腐殖酸、磷石膏、禾康鹽堿土改良劑的施用量分別為0.6、0.6、22.5 kg·hm-2，并于施基肥之前，一次性施入到土壤中，混合均勻。

1.4 樣品采集與測定

采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定水稻生長季的CH4、N2O排放通量。水稻移栽之后，通常每周采集一次氣體樣品，采樣時間在上午8:00至10:00。3次施肥之后以及烤田期間，需加密采樣，每隔一天采集一次樣品，連續(xù)采集一周。采樣箱的規(guī)格為長50 cm、寬50 cm、高50/110 cm，以適應水稻不同生長時期的高度。在水稻移栽之前，將采樣底座安放在小區(qū)中，采樣時，將采樣箱扣在底座上，用水密封，分別于0、10、20、30 min時用50 mL注射器分別抽取4針氣體，之后立即將氣體分別注射到事先抽好真空的真空瓶中，帶回實驗室用安捷倫氣相色譜儀7890B(安捷倫科技(中國)有限公司)測定樣品中CH4和N2O濃度。檢測器分別為氫火焰離子化檢測器(FID)和電子捕獲檢測器(ECD)，載氣分別為N2和體積比為5%的氬甲烷。CH4(N2O)的排放通量根據(jù)每組4個樣品CH4(N2O)濃度值和采樣時間的直線回歸方程的斜率求得。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

CH4和N2O排放通量計算公式如下。

F=ρh(dc/dt)×273/(273+θ)

(1)

式中，F(xiàn)為N2O(以N計)和CH4(以C計)排放通量，單位分別為μg·m-2·h-1和mg·m-2·h-1；ρ為標準狀態(tài)下N2O-N和CH4-C的密度，分別為1.25和0.54 g·L-1；h為采樣箱的高度，m；dc/dt為N2O和CH4的排放速率，單位分別為nL·L-1·h-1和μL·L-1·h-1；θ為采樣時箱內(nèi)平均溫度，℃。用每個處理的3次重復的平均值表示N2O和CH4的排放通量。

CH4和N2O的增溫效應不同，因此需要統(tǒng)一的標準來衡量其增溫效應。本研究采用綜合溫室效應(global warming potentials，GWP)這一綜合指標。在100 a時間尺度上，N2O和CH4的增溫潛勢分別是CO2的298和34倍[17]，因此，GWP(t·hm-2，以CO2計)計算公式如下。

GWP=298×GWP(N2O)+34×GWP(CH4)

(2)

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)計算和圖表制作；所有統(tǒng)計分析使用JMP 13進行，顯著性差異水平為P<0.05(T-檢驗)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理稻田CH4、N2O排放通量的變化

2.1.1各處理稻田CH4排放通量動態(tài)變化 從圖2中可以看出，所有處理的稻田CH4的排放量變化趨勢大致相同。總體上，CH4排放通量在7月3日施用基肥之后快速上升。在第一次追肥之后，排放量仍繼續(xù)增長。中期烤田期間，CH4的排放量達到最大值，隨后迅速降低。烤田結(jié)束之后，復水伴隨著最后一次追肥，CH4排放通量有較小幅度的回升，達到一個較小的峰值，之后CH4的排放通量一直處于較低的水平。N0、N1、N1H1、N1G1、N1A1五個處理的CH4排放通量的變化范圍分別為0.17～31.7、0.24～25.76、-0.06～33.71、0.13～20.92、0.20～17.10 mg·m-2·h-1(圖2)。

注：↓表示施肥，? 表示中期烤田。

2.1.2各處理稻田N2O排放通量動態(tài)變化 圖3顯示，整個水稻生長周期內(nèi)，所有處理的N2O排放趨勢一致，僅在烤田期間出現(xiàn)較大的峰值，其他時間的排放量均較低。N0、N1、N1H1、N1G1、N1A1五個處理的N2O排放通量的平均值分別為8.06(-8.72～123.67)、18.59(-21.49～126.55)、19.25(-0.36～248.43)、16.93(1.44～303.77)、18.63(7.09～117.58)μg·m-2·h-1。

注：↓表示施肥，? 表示中期烤田。

2.2 各處理稻田CH4、N2O累積排放量和綜合溫室效應

2.2.1各處理稻田CH4累積排放量 如表1所示，與空白處理N0相比，N1、N1H1、N1G1、N1A1四個處理分別增加了CH4累計排放量的28.2%、36.0%、3.2%、33.0%，但并未達到顯著水平。整個水稻生長周期內(nèi)，各處理的CH4累積排放通量在131.35～178.59 kg·hm-2。與N1處理相比，N1H1、N1A1處理分別增加了CH4累積排放通量的6.0%、3.7%；而N1G1處理降低了CH4累積排放通量的19.5%，但也未達到顯著水平。

表1 水稻生長季CH4、N2O累計排放量以及綜合溫室效應

2.2.2各處理稻田N2O累積排放量 如表1所示，與N0處理相比，N1、N1H1、N1G1、N1A1四個處理均顯著增加了N2O排放通量的130.9%(P<0.05)、139.1%(P<0.05)、110.2%(P<0.05)、131.3%(P<0.05)。結(jié)果顯示，無論是否加入改良劑，施用氮肥都能顯著增加稻田N2O的累積排放量。整個水稻生長周期內(nèi)，各處理的N2O累積排放量在0.23～0.55 kg·hm-2。

2.2.3各處理稻田綜合溫室效應 所有處理中，GWP的變化范圍為6.06～8.35 t·hm-2(表1)。與不施氮肥(N0)處理相比，所有施氮處理均增加了GWP的5.1%～37.8%。與N1處理相比，只有配施磷石膏改良劑的處理(N1G1)降低了GWP的19.1%，配施腐殖酸(N1H1)和禾康改良劑(N1A1)的處理都增加了GWP。

2.3 水稻產(chǎn)量

由圖4可知，所有處理中，水稻產(chǎn)量的變化范圍為6.17～10.59 t·hm-2。與N0處理相比，N1、NIH1、N1G1、N1A1四個處理均顯著增加了水稻產(chǎn)量的41.1%(P<0.05)、67.0%(P<0.05)、44.3%(P<0.05)、71.6%(P<0.05)。與N1處理相比，N1A1處理顯著增加了水稻產(chǎn)量的21.6%(P<0.05)，而N1H1和N1G1處理的增產(chǎn)效果并未達到顯著水平。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 氮肥配施改良劑對稻田CH4、N2O排放的影響

本研究中，稻田CH4排放主要集中在中期烤田之前，中期烤田之后CH4排放通量均維持在一個較低水平，與周旋等[18]的研究結(jié)果相同。主要原因可能是：①烤田期間，由于土壤處于強氧化狀態(tài)導致產(chǎn)甲烷菌受損，即使后期復水，也未能使其恢復，所以土壤中產(chǎn)生的CH4減少；②水稻生長后期對CH4的傳輸能力減弱，因此導致CH4排放減少。

稻田長期處于淹水環(huán)境中，N2O的排放通量常被忽視。然而，在水稻的中期烤田期間通常會有大量的N2O排放[19]。本研究中，在中期烤田期間，所有處理均出現(xiàn)了最大峰值。主要原因可能是排水所導致的干濕交替環(huán)境有利于硝化和反硝化過程中N2O的產(chǎn)生[20]；烤田期間，土壤處于強氧化狀態(tài)，含有較多O2，有利于硝化和反硝化作用同時進行，因此促進了N2O的排放。

3.2 氮肥配施改良劑對CH4、N2O累積排放量和綜合溫室效應的影響

本研究中，施用氮肥顯著提高了稻田土壤N2O排放，與前人研究結(jié)果一致[28]。氮肥施入到土壤中有利于N2O的排放，主要是通過為硝化和反硝化的過程提供底物[29]。在所有的施氮處理中，3種改良劑的加入并未顯著影響N2O的排放。但也有研究表明，施用腐殖酸能增加土壤氧化還原電位[30]、刺激了微生物的活性，進而促進N2O排放。多數(shù)研究表明，磷石膏的添加對N2O排放無顯著影響[31]。

CH4排放量是季節(jié)性GWP的主要組成部分，這一結(jié)果也得到了早秈稻田研究的支持[19]。氮肥和改良劑對CH4排放的影響并不明顯，導致各處理間的GWP差異不顯著。然而，值得注意的是，與N1處理相比，N1G1處理使GWP降低了19.2%。

3.3 氮肥配施改良劑對水稻產(chǎn)量的影響以及對稻田的綜合影響

氮肥可以提高大部分農(nóng)業(yè)土壤的作物產(chǎn)量。本研究中，與不施氮處理相比，所有施氮處理都能顯著提高水稻產(chǎn)量，與前人研究結(jié)果一致[32]。氮肥配施腐殖酸提高了水稻產(chǎn)量，可能原因是腐殖酸改良劑通過提供營養(yǎng)、改善土壤團聚結(jié)構(gòu)、刺激微生物和酶的活性來提高產(chǎn)量[33]。但是，所有的氮肥配施改良劑處理中，只有氮肥配施禾康改良劑(N1A1)能顯著增加水稻產(chǎn)量，可能原因是禾康改良劑改善了土壤質(zhì)量，因此提高了水稻產(chǎn)量。而綜合比較所有氮肥配施改良劑處理的水稻產(chǎn)量以及綜合溫室效應發(fā)現(xiàn)，N1A1處理能顯著增加水稻產(chǎn)量，同時不顯著影響綜合溫室效應，因此在濱海鹽土區(qū)推薦N1A1施肥方案。