不同土壤改良措施对冷浸田温室气体排放的影响
发布时间：2022-01-27
摘 要：以临安山区典型的冷浸田为试验对象，通过开展田间水稻种植试验，探究生石灰、水稻秸秆和竹质生物炭对冷浸田温室气体(GHG)排放、作物产量和土壤理化性质的影响，旨在为改良冷浸田，实现水稻高产的同时，通过相关措施为实现稻田温室气体减排提供理论依据和技术支撑。结果表明，不同土壤改良处理对水稻产量和土壤肥力都有所提高，其中秸秆还田处理增产效果最显著，产量高达 7 728.25 kg·hm-2，而施用生物炭对土壤中全氮、有效磷和速效钾含量的提高效果最明显，增幅分别为 15.1%、49.0%和 22.1%。与常规施肥处理相比，生石灰处理 CH4 累积排放量提高了 21.9%，而生物炭处理 CH4 累积排放量降低了 33.3%。试验各处理氧化亚氮排放通量和累积排放量都较低，其原因可能是各处理稻田土壤一直处于冷水浸润状态，施用生石灰提高了冷浸田土温，激发了微生物的活动，从而导致 CH4 大量排放，而施用生物炭改善了稻田土壤通气状况，增强甲烷氧化菌活性，进而导致 CH4 排放量降低。
关键词：冷浸田;生物炭;温室气体;排放量
我国水稻田分为高产田、中产田和低产田三种，改良中低产田，提高粮食产出水平是各级政府长期以来一直关注的问题。冷浸田是我国低产水稻土的一个主要类型，是指在自然或人为因素的作用下，地下水位过高，土壤发生层内长期遭到地下水浸渍，使土壤产生冷浸渍害，还原作用强烈，理化性状和作物根系生长环境恶化的病害农田，也是长期积水的强潜育性低产水稻土。全国冷浸田约有 346 万 hm2 ，占全国稻田面积的 15.07%，占低产稻田面积的 44.2%[1]，主要分布在南方山区谷地、丘陵低洼地、平原湖沼低洼地，以及山塘、水库堤坝的下部。据初步统计，长江以南的低产水田中冷浸田占有很大的比重[2]，而且对于终年淹水的稻田，土壤长期处于还原状态，水稻移栽后即有大量的 CH4 排放[3]，因此有必要开展冷浸田温室气体的监测，在改良冷浸田，实现水稻高产的同时，通过相关措施实现温室气体减排，具有重要意义。
浙江省是典型中低产水稻土主要分布地之一，据全国第二次土壤普查，全省冷浸田面积 3.62 万 hm2 [4]。本试验以山区丘陵区临安冷浸田为试验对象，开展定位试验，研究施用生石灰、水稻秸秆还田和添加竹炭处理对冷浸田温室气体 CH4、N2O 排放以及土壤理化性质的影响，从而揭示生物炭在稻田生态系统中对温室气体的减排作用，为冷浸田改良以及我国粮食安全提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地处浙江省临安市於潜镇昔口村茅亭垄，与西天目山国家级自然保护区相邻，位于东经 119°22′ 11″，北纬 30°10′28″。属于北亚热带季风气候，年平均气温 15.7 ℃。供试地块平整，地力均一，茬口一致，其总面积约为 600 m2 。本试验地土壤按照中国土壤发生分类系统中浙江土种的分类方法，系水稻土中烂泥田土属烂泥田土种，如按照国家公益性行业(农业)科研专项“江南地区冷浸田治理技术研究与示范”项目组的分类方法，系冷浸田中冷水型冷浸田 (犁底层发育)。试验地位于山坡中部，试验地右侧山边有冷泉水冒出。在本试验开展之前，当地镇政府投资修复加固了排水沟，极大地改善了试验区域的排水条件，为本实验取得一定的成果提供了极为有利的先决条件。试验小区示意图见图 1。
试验小区 0~20 cm 表层土壤在实施改良措施之前的基本理化性状为：容重 0.86 g·cm-3、有机碳 2.97%、全氮 1.80 g·kg-1、碱解氮 184.18 mg·kg-1、有效磷 7.76 mg·kg-1、速效钾 114 mg·kg-1。
1.2 试验设计
试验采用单水平设计，设置了 4 个处理：①生石灰;②秸秆还田;③生物炭;④常规施肥(对照)。每小区采样重复 3 次，供试作物为单季稻，品种为中浙优 8 号。小区面积 6.5 m×22 m，在每个小区中各埋设 6 个 50 cm×50 cm 的 PVC 底座，两两平行，用于安放 50 cm 高度的气体采样箱。底座嵌入土中 15 cm，不再移动，上沿带凹槽。各底座内水稻种植密度一致(比田间种植密度稍小)，并采取田间正常管理方式，其中 3 个种植 4 株水稻，另外 3 个不种植物。基肥为碳铵，追肥为尿素、过磷酸钙和氯化钾。各小区施肥方案见表 1。
供试水稻来自大田育苗，2012 年 6 月 18 日将长势一致的幼苗移栽到试验区，每小区种植规格 15 cm×20 cm(每 667 m2 约 2 万穴)，每穴 4 株，2012 年10 月 16 日进行收割。试验期间，因为处于山旁冷泉附近，稻田一直处于水分饱和状态，保持淹水 3～8 cm。水稻移苗约 7 d 后，开始采集气体。
供试生物炭选用竹炭，原材料在 350 ℃下制得，基本理化性状见表 2。
1.3 样品采集与分析
1.3.1 样品采集
气体样品采用静态暗箱法采集。静态采样箱分为箱体和底座两部分，箱体顶端设置了温度传感器、三通阀采气孔和气压平衡孔，温度传感器测温杆伸至采样箱中部以观测箱内温度;三通阀采气孔是采集气体样品的接口，而气压平衡孔只是为了维持采样过程中箱内外气压平衡。底座嵌入土中 15 cm 固定，箱体地面开口，测量时连接底座凹槽，凹槽内用水密封，使箱内空气不与外界相通。为避免太阳辐射引起箱内升温而对所测小气候产生影响，箱体外均贴覆一层锡箔纸。将顶箱罩住后，开始采样，一般在当地时间 9：00— 11：00 进行，采样间隔时间为关箱后的 0、10、20 min。由于田间采样不能及时对样品进行分析，采用 100 mL 注射器抽取 60 mL 气体注入铝箔材质的真空气体样品袋备测。在采样的同时记录箱内温度、土表温度以及距土表 10、20 cm 和 30 cm 的土壤温度、田面水温、水深和株高等环境参数。
冷浸田试验气体样品从 2012 年 6 月 25 日开始采集，连续监测直到水稻收割后两个月，即 2012 年 12 月 23 日。在插秧前期，每周采样一次;追肥后要相应地增加采样次数，2~3 d 采集一次;后期可降低频率，每隔 10 d 或 15 d 采集一次。同时记录相关植物和环境参数。
1.3.2 样品分析
采用气相色谱仪(Agilent 6820)分析气体样品 CH(4 FID 检测器)和 N2O(ECD 检测器)的浓度，根据 3 次样品两种气体浓度随时间的变化速率计算土壤的气体释放通量，并通过加权平均计算累计排放量。
1.4 数据处理
采用 DPS v7.05 版软件、Excel 2003 对实验数据进行分析。
2 结果与讨论
2.1 冷浸田土壤改良措施对水稻产量的影响
从 2012 年度水稻试验的结果来看，施用秸秆和生物炭处理，有助于提高水稻产量。由于秸秆还田处理提高了土壤肥力，该处理产量最高，达 7 728.25 kg·hm-2，比常规施肥处理提高了 15.6%(图 2)。另外本年度试验水稻生长期间，降水比去年充沛，土壤淹水一直处于饱和状态，与常规施肥相比，生物炭处理改善了稻田土壤的通气状况，有利于水稻对养分的吸收，从而导致水稻产量比农民常规施肥处理高出 11.3%。徐培智等[7]研究测土配方施肥对南方冷浸田水稻产量的影响结果表明早晚稻产量分别为6 519.0、6 757.5 kg·hm-2，与本试验水稻产量是相当的。
2.2 冷浸田土壤改良措施对土壤理化性质的影响
冷浸田改良的一个重要方面是改善土壤的理化性质，提高土壤的通透性，从而提高作物对养分的吸收能力。从 2012 年的示范试验来看(表 3)，生物炭处理在一定程度上增加了土壤容重，而秸秆还田处理则有助于土壤容重的降低，但由于试验时间还比较短，各改良处理对土壤容重的影响还不太明显。
土壤中的养分含量如表 3 所示，与常规施肥相比，施用生物炭可增加土壤中的养分含量，全氮、有效磷和速效钾含量增幅分别为 15.1%、49.0%和 22.1%，与刘玉学等[8]研究结果一致。一方面可能由于生物炭本身富含这些营养元素;另一方面可能由于生物炭能够吸附土壤溶液中 NH+ 4，从而降低了溶液中 NH+ 4的浓度，生物炭对氮素的这种固化作用可以减少土壤中的氮素淋洗。除此之外，生物炭还可吸附磷和其他水溶性盐离子，具有保肥性能。 从土壤速效养分的结果来看，土壤碱解氮含量在秸秆还田处理时最低，可能是在水稻成熟期，其含量降至最低，秸秆自身分解对碱解氮含量影响不大，这大概与水稻养分吸收有关。土壤有效磷含量的变化规律与速效钾类似，除了生石灰处理时有效磷含量有所提高外，其余处理均随着种植水稻时间的延长，有效磷、速效钾含量降低。其原因可能是冷浸田土温太低，养分吸收存在障碍，也可能是其他因素，有待进一步深入研究。
2.3 冷浸田土壤改良措施对温室气体排放的影响
2.3.1 对 CH4 排放的影响
CH4 是稻田最主要的温室气体[9]，浙江省绍兴平原典型稻田土壤在不同施肥条件下 CH4 平均排放通量为 2.88 mg·m-2·h-1，累积排放量为 102.88 kg·hm-2[10];浙江省农业科学院海宁市杨渡村试验基地稻田在不同处理下 CH4 平均排放通量为 2.35 mg·m-2·h-1，累积排放量为 48.23 kg·hm-2 [8]。与这些研究结果相似，试验中水稻生长季 CH4 排放通量如图 3 所示，常规施肥处理 CH4 排放通量为-0.59～5.30 mg·m-2·h -1，均值为 1.35 mg·m-2·h-1;生石灰和秸秆还田处理 CH4 排放通量均值分别为 2.43、1.36 mg·m-2·h-1;生物炭处理 CH4 排放通量均值仅为 1.26 mg·m-2·h-1。移栽初期 CH4 排放量较低，这可能因为水稻土中产甲烷菌的最佳生长温度为 35 ℃，在最佳生长温度以下，土壤生成 CH4 的能力随温度的升高而增加[3]，冷浸田土温低阻碍其排放。随移栽时间增长，CH4 排放量显著增加，在监测半年的数据中，整个水稻生长季稻田 CH4 排放通量的峰值出现在 7 月 13 日，处于温度最高、水稻生长最旺盛的分蘖期，这个峰值可能是由于冷浸淹水处于稳定还原状态，有利于 CH4 排放;10 月中旬进入收割期，CH4 排放量迅速下降，后期几乎无排放。不同改良处理对冷浸田 CH4 累积排放量的影响如图 4 所示，生物炭、秸秆还田和生石灰处理 CH4 累积排放量分别 为 45.44、56.53、83.03 kg·hm-2，其中生物炭处理 CH4 累积排放量最低，生石灰处理最高。结合图 3 和图 4 可以看出，三种不同处理对冷浸田 CH4 的排放都有一定的影响，其中生石灰处理对 CH4 的排放有明显的促进效应，水稻秸秆还田处理增强排放作用不显著，而生物炭处理一定程度上抑制了 CH4 的排放。与常规施肥处理相比，生石灰处理 CH4 累积排放量提高了 21.9%，而生物炭处理 CH4 累积排放量降低了 33.3%。
生石灰处理 CH4 平均排放量高于其他处理，其原因可能是在水稻生长期，生石灰处理提高了冷浸田土壤温度(图 5)，激发了微生物的活动，导致有机质的分解速度加快，从而使甲烷气体大量排放。有关研究表明，施用秸秆后稻田土壤 CH4 排放通量增加 2～25 倍[11-14]，但本试验秸秆还田处理 CH4 平均排放通量高于常规施肥处理，而 CH4 累积排放量却低于常规施肥处理，可能与种植后期采气样次数减少，或是冷浸环境温度太低不利于 CH4 排放有关。有研究表明施用生物炭能抑制 CH4 排放[15-16]，如 Liu 等[16]在实验室内淹水培养条件下分别添加竹炭和秸秆炭等生物炭，发现减少 CH4 排放幅度高达 51.1%～91.2%，与本试验研究结果一致。生物炭处理减排作用的原因可能是生物炭增加了稻田土壤甲烷氧化菌的丰度，降低了产甲烷菌与甲烷氧化菌的丰度比[17]，也可能是施加生物质炭增加了土壤孔隙度。一方面，由于产甲烷菌是严格厌氧细菌，土壤通气性良好的情况下，产甲烷菌活性受到抑制;另一方面，土壤孔隙度增大，氧气容量增加，为甲烷氧化菌的生长提供了条件，大量 CH4 通过扩散进入氧化区域时被甲烷氧化菌氧化[16]。与有关研究结果不同的是，本试验生物炭抑制作用并不特别显著，可能与冷浸田这类长期冷浸渍水、土温低、还原性强的农田环境有关。
2.3.2 对 N2O 排放的影响
稻田另一主要温室气体是 N2O[18]，绍兴平原典型稻田土壤在不同施肥条件下 N2O 平均排放通量为 6.98 μg·m-2·h-1，累积排放量为 255.23 g·hm-2 [10];浙江省农业科学院海宁市杨渡村试验基地稻田在不同处理下 N2O 平均排放通量为 10.25 μg·m-2·h-1，累积排放量为 223.11 g·hm-2 [8]。与上述研究结果相反，本试验冷浸田 N2O 的排放量较少，并不存在明显的变化规律。本试验三种改良处理对稻田 N2O 排放通量的影响如图 6 所示。常规施肥处理 N2O 的平均排放通量为 0.55 μg·m-2·h-1，而生石灰、秸秆还田和生物炭处理的排放通量均值分别为 1.48、1.79、0.24 μg·m-2·h-1。从图 6 可以看出，水稻生长初期各个处理 N2O 排放量相差较大，而且高于生长后期的排放量。总体上，N2O 的排放量较低，排放曲线变化不显著，也没有出现明显的峰值。
不同改良处理对冷浸田 N2O 累积排放量的影响如图 7 所示，生物炭、秸秆还田和生石灰处理 N2O 累积排放量分别为 46.72、71.53、84.70 g·hm-2，其中生物炭处理 N2O 累积排放量最低，生石灰处理最高，但各处理 N2O 累积排放量都较低。土壤中硝化、反硝化作 用是产生 N2O 的基本过程，有学者提出，有些硝化细菌不仅能够进行硝化作用，也能够进行反硝化作用，这种类型的反硝化作用是土壤中 NH+ 4 以 NO 或N2O 形式损失的主要途径[19-20]。有关研究表明，处于稳定还原状态的土壤只有很少量的 N2O 排放[21]，长期淹水的稻田也只排放少量的 N2O[22]。N2O 是氮素转化过程的产物，在长时间、稳定、均一的氧化或还原条件下，土壤中绝大部分无机氮以硝态氮或氨态氮存在而不再发生转化[3]，本试验中冷浸田处于长期淹水的稳定还原状态，导致 N2O 累积排放量都较低。
大量实验数据显示，CH4 和 N2O 由于土壤水分状况的差异呈现出此消彼长的排放关系，其直接原因是土壤水分状况[23]。而本试验得到不同的结果，从开始采气到收割期间，CH4 排放一直处于较高水平，但N2O 排放较低。冷浸田长期处于淹水状态，没有晒田期，不能很好地提供硝化和反硝化过程需要的氧化还原条件，导致整个水稻生育期 N2O 排放较少。
3 结论
(1)不同土壤改良处理对水稻产量和土壤肥力都有所提高，在各改良处理中，秸秆还田处理增产效果最显著，产量高达 7 728.25 kg·hm-2，比常规施肥处理提高了 15.6%，而生物炭处理改善了土壤的通气状况，促进水稻对养分的吸收，使其产量增加了 11.3%。三种不同处理基本上提高了土壤中养分含量，其中施用生物炭效果最明显，可能是生物炭本身富含这些营养元素，而且生物炭能够吸附土壤溶液中 NH+ 4，对氮素有固化作用的缘故。
(2)试验结果表明，生石灰和秸秆还田处理对冷浸田 CH4 的排放有明显促进作用，而生物炭处理对 CH4 有一定的减排作用，各处理对 N2O 排放影响比较小。分析不同处理对温室气体排放影响的原因，生石灰处理提高了冷浸田土温，激发了微生物的活动，导致有机质的分解速度加快，使温室气体大量排放;秸秆还田处理增加了土壤有机质含量，为微生物分解提供了更多的底物，从而促进排放;而生物炭处理增大了土壤孔隙度，溶氧增加，抑制了产甲烷菌活性，加强了甲烷氧化菌活动，综合作用降低了 CH4 排放;对 N2O 排放量降低不明显，可能是冷浸田低温环境阻碍排放的缘故。受冷浸田长期淹水处于还原状态的影响，CH4 和 N2O 没有呈现出此消彼长的排放关系。
总之，冷浸田是我国一个主要类型的低产水稻田，其温室气体释放是值得关注的。改良冷浸田，提高水稻产量的同时，研究相关措施来实现温室气体的减排已经成为研究的热点。从上述结论可知，生石灰处理冷浸田能提高土壤温度，激发微生物活性，促进温室气体的排放;生物炭进入土壤生态系统后会影响土壤生物地球化学过程，具有减少温室气体排放的效果，但各处理效果不显著，具有较大不确定性。这与冷浸田低温渍水的环境有关，基于田间的长期效应还有待进一步研究。此外，由于施肥量、肥力状况、生物炭种类和土壤类型等差异，可能得出的结论不尽相同。在以后的研究中，应充分考虑这些因素特别是冷浸田不良环境的影响。——论文作者：邵玲玲 1，2 ，邹 平 2 ，杨生茂 2，3* ，叶 静 2 ，陶林富 4 ，俞巧钢 2 ，符建荣 2
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