不同稻秆处理方式下双季稻温室气体排放通量研究

侯晓莉,李玉娥*,万运帆,石生伟,李明德 (.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业部农业环境与气候变化重点实验室,北京 0008；.湖南省土壤肥料研究所,湖南 长沙 405)

秸秆还田有利于改善土壤理化性状,提高土壤有机质含量,促进农田生态系统良性循环,是秸秆有效利用方式之一[1-2].虽然国家明令禁止秸秆田间燃烧,但由于秸秆还田或清理秸秆需要大量的劳力、同时生活水平的提高使得农民更倾向于使用高品质能源, 秸秆就地焚烧现象极为普遍[3-4].秸秆焚烧还田可有效减轻病虫害,但其同时减少土壤中微生物数量和水分含量[5-7],焚烧过程中向大气中排放大量的污染性气体,严重影响环境[8-9].

秸秆还田能显著增加土壤有机碳[10-11],但同时也为土壤产甲烷菌提供了丰富的基质,显著促进CH4排放,秸秆还可能通过提供矿化氮和反硝化微生物活动所需的碳源直接影响N2O的产生与排放[12].许多研究结果表明,秸秆还田明显增加 CH4排放的同时,减少 N2O排放[11-15].蒋静艳等[12]、Zou等[13]研究表明,CH4排放量与秸秆施用量成正比,N2O排放与秸秆施用量成反比.马二登等[15]、马静等[16]得出,与秸秆还田相比原位焚烧麦秆显著降低稻麦生态系统的CH4排放,两种处理的N2O排放无显著差异;与不还田处理相比,原位焚烧麦秆能显著降低N2O排放,但CH4排放无显著差异.总的来说,秸秆还田避免了秸秆原位焚烧还田短时间内向大气中排放大量的温室气体,但后期持续性的排放致使其温室气体排放强度最大[17].

稻秆占到我国作物秸秆资源的 26.3%,稻秆还田在水田厌氧环境下加剧了CH4的排放.本文针对稻秆不同处理方式,结合稻秆焚烧活动中温室气体排放的估算,采用田间静态箱-气象色谱观测试验研究不同稻秆处理方式对稻田温室气体排放及温室效应的影响,旨在为保护农田环境、实现真正减排提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区状况

试验地点位于湖南省长沙县干杉乡长安村(28°08′19″N,113°12′16″E),属于亚热带季风湿润气候区,年平均气温为17.1℃,当地属于典型双季稻作区.试验土壤类型为第四纪红色黏土发育的红黄泥水稻土,土壤有机质 1.85%,碱解氮 124mg/kg,有效磷13.4mg/kg,速效钾47mg/kg,pH 5.20.

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 试验采用单因素区组设计,3个处理,3次重复,小区面积20m2.处理1:常规处理:NPK,秸秆移出稻田,施肥量为当地常规施肥量;处理 2:稻草直接还田(RS)+NPK处理:稻秆于插秧前1d切成2cm碎段翻埋还田;处理3:稻草原位焚烧还田(BIS)+NPK处理:插秧前1d将稻秆均匀铺放在小区表面原位焚烧.处理2与处理 3的稻秆量相同:早稻为干稻秆5250kg/hm2,晚稻为鲜稻秆 6250kg/hm2,折合成干物质有机碳分别为 1679kg/hm2和 1843kg/ hm2,化肥按照近似等N及C/N为10:1～11:1措施施入,其中RS+NPK处理考虑秸秆中N含量及一年腐熟分解率(50%左右[18])相应降低化肥施入量为常规施肥的90%(表1)(处理3中稻秆焚烧后 N剩余量与常规施用量比较,所占比例很小,忽略不计).

早稻品种为中嘉早17号,于2010年4月30日移栽,5月11日、6月21日分别进行两次追肥,5月29日开始排水晒田,6月7日复水,7月17日收割;晚稻品种为农香18,于7月20日移栽,7月27日、9月12日两次追肥,8月11日开始排水晒田,8月21日复水,10月21日收割.

表1 早、晚稻施肥方案 (kg/hm2)Table 1 Fertilization scheme (kg/hm2)

1.2.2 气体采集与测定方法 利用静态箱采集分析样品,利用气相色谱测定CH4和N2O的浓度,利用公式(1)计算温室气体排放通量.采样箱采用聚碳酸酯材料制成,外表贴有“黑色+纯白色”双层波音片材料用来避免太阳辐射引起的箱体内部升温.箱体直径 55cm,高 1.2m,箱内装有风扇,外置蓄电池驱动.播种初期将底座插入土壤10cm深处,采样框内移栽水稻植株4穴平均20株,在整个观测期内不含杂草.观测时将采样箱放入底座,底座外缘四周的凹槽用水密封.移栽后第2天开始采样,每隔3d取样1次,晒田期每隔1d取样,采样时间为上午8:30～10:30,罩箱0、8、16和24min后用注射器取50mL气体注入预先抽真空的玻璃瓶中.

采集的气体样品在室内用 Agilent7890 型气相色谱仪分析,CH4检测器为离子火焰化检测器 (FID),温度200℃,柱温55℃,N2O检测器为电子捕获检测器(ECD),温度330℃,柱温55℃.

温室气体排放通量计算公式为:

式中: F为排放通量,CH4: mg/(m2·h),N2O: μg/(m2·h); ρ为 CH4、N2O标准状态下的密度,分别为0.714kg/m3,1.964kg/m3; h 是采样箱顶部至水面实际高度, m; dC/dt为采样过程中采样箱内气体浓度变化率, mL/(m3·h);T是采样箱内平均温度,℃.

1.2.3 土壤要素的测定方法 每次取气的同时测定5cm 土壤温度、pH值和Eh.(便携式酸度计测定、氧化还原测定仪).每个生育期采取0-10cm内土样,测定土样NO3--N、NH4+-N浓度及风干后土样水分系数[土壤样品(105±2)℃烘至恒重时的失重与土壤样品的重量比值],有机质、N、P、K质量分数.

用 2mol/LKCl溶液震荡浸提 1h,土水比为1:5,然后通过流动分析仪测定NO3--N、NH4+-N浓度,同时取新鲜土样 105℃下烘至恒重,测定土壤水分,最后计算出土壤中矿质N含量.

1.2.4 稻秆焚烧产生温室气体排放的计算方法秸秆燃烧温室气体排放的计算方法如下:

式中:Ei是焚烧稻秆产生的GHG排放, kg; AM为稻秆露天焚烧量, t,为稻秆干重,早稻为干稻秆5.25t,晚稻为鲜稻秆 6.25t,采取草谷比估算晚稻施入秸秆干重,大部分水稻草谷比取值为 1[19],晚稻产量测定均值为 6.05t;EFi为排放因子,参考有关资料得出,CH4排放因子是0.72g/kg[6]; N2O排放因子为0.07g/kg[21].

2 结果与分析

2.1 不同稻秆处理方式稻田CH4排放

整个生育期CH4排放通量的动态变化如图1所示,各处理 CH4排放通量的总趋势相同,有明显的季节波动变化.其中,RS+NPK处理 CH4排放通量波动幅度最大.各处理CH4在早、晚稻移栽至晒田期集中排放,在排放高峰期不同处理表现出明显差异,主要表现为 RS+NPK处理CH4排放显著高于 BIS+NPK处理 CH4排放.NPK处理与RS+NPK处理CH4排放在早稻整个生育期基本持平,晚稻存在明显差异.3个处理在排水晒田期 CH4排放通量迅速降低(05-29～06-07,08-11～08-21),晒田结束后,早稻期间随着气温的升高在生长季后期仍出现一定的CH4排放峰值,晚稻CH4排放则在晒田结束后维持较低水平至水稻收获.

图1 稻田CH4排放Fig.1 The emission of CH4 in rice paddy

早稻初期适宜的碳、氮比促进还田秸秆部分腐化分解,转化为土壤有机质,在分蘖期微生物厌氧分解达到最高峰,土壤全碳达最高水平;晚稻初期温度进一步升高[22-24],加之适宜的 pH 值[25-26],加强了秸秆的有机分解.风干土样测定分析表明,早、晚稻生长季前期RS+NPK与BIS+NPK处理全 C含量存在显著差异(P＜0.05),突出表现在晚稻生长季前期,陈苇等[27]指出有机质、全氮含量高的稻田甲烷产生和释放潜力较强,本研究与其研究结果观点一致,分蘖期RS+NPK处理CH4排放显著高于 BIS+NPK处理.其次,有机质的分解为土壤提供了大量额外的电子受体,迅速降低土壤Eh,本研究相关分析表明,CH4排放通量与5cm土壤Eh呈显著负相关(R=-0.583),Eh稳定在0mv左右时CH4排放趋于0,此结论与文献[15,29-30]研究结果一致.RS+NPK处理生长季初期秸秆腐化分解与成熟期作物根系分解导致Eh下降,CH4排放强度迅速增大,明显高于NPK与BIS+NPK两个处理.其它时期Eh均稳定在0mv左右,各处理无明显差异.BIS+NPK处理与NPK处理相比,早稻显著降低CH4排放,晚稻期间CH4排放二者相当.分析原因为早稻水田经过冬闲期的闲置,土壤有机质,全N、P的含量较冬闲期开始前监测含量降低,晚稻于早稻收获2日后即还田,土壤湿度大,秸秆原位焚烧并没有显著引起土壤有机质的下降.

表2 CH4平均排放通量[mg/(m2·h)]Table 2 The flux of CH4 during rice growth stage[mg/(m2·h)]

2.2 不同稻秆处理方式稻田N2O排放

早稻期间各处理 N2O排放通量均维持在100μg/(m2·h)以下,相关研究表明,水稻生长期N2O排放主要受水分状况的影响[32-36],早稻季5、6月份频繁性降水使得土壤水分过饱和,阻碍了N2O的扩散传输过程,同时持续的低温明显降低微生物的活性,降低N2O排放通量.早稻期间只是

在分蘖期第一次追肥引起N2O的微量排放,其中NPK处理最高,为89.08μg/(m2·h),且持续时间较长; BIS+NPK处理 N2O排放峰值最低: 29.69μg/(m2·h),以脉冲形式排放.早稻整个生长季,NPK处理 N2O排放显著高于其他两个处理(P＜0.05),主要表现在生长季前中期.

晚稻在移栽一周后第1次追肥观测到N2O显著排放,移栽25d左右进入排水晒田期,适宜的土壤湿度及5cm土壤Eh(-147mv～16mv)引起第2次排放高峰,N2O两次排放峰值大小顺序均为NPK＞RS+NPK＞BIS+NPK.晚稻矿质氮的测定发现在晚稻移栽至排水晒田期结束,NPK和RS+NPK处理NH4+-N浓度显著高于BIS+NPK处理(图3).对各处理N2O排放与土壤NH4+-N浓度进行相关分析,结果表明二者呈显著正相关,相关系数分别为 0.653,0.977,0.871,排水晒田期NPK处理

图2 稻田N2O排放Fig.2 The emission of N2O in rice paddy

表3 生育期N2O平均排放通量[μg/(m2·h)]Table 3 The mean flux of N2O during each rice growth stage (n=3)[μg/(m2·h)]

图3 晚稻季各处理水分及NH4+-N变化Fig.3 Changes of soil moisturein and ammonium nitrogen levels in late rice

高浓度的NH4+-N促进N2O的排放.NPK处理与RS+NPK处理在移栽一周内二者排放相当,至分蘖期追肥后前者N2O排放显著高于后者,分析原因为还田秸秆腐解提高了土壤中的 C/N比值导致土壤微生物对N的争夺利用,促进植物对N的吸收,减少了硝化反硝化过程中N2O的产生.通过对全生长季稻田N2O排放分析发现,NPK处理N2O平均排放呈较高水平,BIS+NPK处理N2O平均排放最低,前者 N2O平均排放通量是后者N2O平均排放通量的3.8倍(表3),方差分析达极显著水平(P ＜0.01).

2.3 稻秆焚烧活动中产生的温室气体估算及温室效应分析

根据选取的排放因子及早、晚稻秸秆干重5.25t/hm2、6.05t/hm2估算焚烧活动中产生的温室气体:早稻:CH43.78kg/hm2,N2O0.37kg/hm2;晚稻: CH44.36kg/hm2,N2O0.44kg/hm2.当然,焚烧效率的不确定性使得估算存在一定的误差,由表4可以看出,早、晚稻水稻秸秆焚烧过程中产生的 CH4占BIS+NPK处理整个生长季CH4排放的4.7%和5.2%,即与BIS+NPK处理稻田CH4排放相比,秸秆焚烧短时间内产生的CH4很少,而秸秆焚烧产生N2O占到相当大的比例,早、晚稻秸秆焚烧过程中产生的N2O分别为BIS+NPK处理整个生长季N2O排放的90.1%和53.4%.此现象分析与石生伟等[41]2009年田间观测研究结果相同.

与RS+NPK处理相比,早、晚稻BIS+NPK处理显著减少CH4排放,焚烧过程中短时间内产生的N2O导致BIS+NPK处理N2O排放增加.综合分析 3个不同处理下 CH4、N2O的总排放, RS+NPK处理明显增加 CH4的排放,同时减少N2O的排放.BIS+NPK处理显著降低 CH4的排放,N2O排放与其他两个处理无明显差异.

以100a为时间尺度,单位质量的CH4和N2O的全球增温潜势(GWP)分别为CO2的25倍和298倍.仅对本试验水稻生长季田间温室气体排放分析, RS+NPK处理CH4、N2O的全球增温潜势最大,BIS+NPK处理最小.不同处理田间温室气体排放产生的温室效应均表现为 CH4贡献较大,其中RS+NPK处理的CH4排放比NPK、BIS+NPK处理分别高出61.1%和107.7%.不同处理田间N2O排放产生的温室效应,NPK处理比 RS+NPK、BIS+NPK处理高出 93.9%、284.7%.秸秆焚烧产生的 CH4较之焚烧处理田间排放总量,贡献极小,因此 CH4产生的温室效应仍表现为 RS+NPK＞NPK＞BIS+NPK的大小顺序.秸秆焚烧过程产生大量N2O,BIS+NPK处理N2O产生的全球增温潜势接近NPK处理N2O产生的全球增温潜势.本试验秸秆原位焚烧处理降低稻田产量,但产量变化不大,Verna等[42]指出长期定位试验相同施肥条件下秸秆焚烧显著降低稻田产量.单位产量的全球增温潜势,秸秆直接还田处理最高,比常规施肥高出 45.7%.秸秆原位焚烧处理最低,但不能据此说明秸秆原位焚烧增加稻田的经济效益和环境效益,本试验相关土壤要素测定表明,秸秆原位焚烧显著降低水稻生长季前中期的有机质、全N、P、K含量,长期将水稻秸秆进行原位焚烧处理,减少土壤微生物数量、养分及水分含量,降低土壤质量,增强大气污染程度.因此,有必要进行长期定位试验,确立秸秆原位焚烧的综合效益.

表4 不同稻秆还田方式处理下温室效应分析Table 4 Total GHG emission under different rice-straw treatments

3 结论

3.1 秸秆直接还田配施化肥显著增加田间 CH4排放,同时减少N2O排放,单位产量的全球增温潜势显著,高出常规施肥处理45.7%.

3.2 估算秸秆原位焚烧过程中产生的CH4,早、晚稻均为田间CH4排放的5% 左右.但早、晚稻秸秆焚烧产生的N2O占整个生长季期间的65%以上.BIS+NPK处理明显降低田间CH4排放,对产量变化影响不大,降低了单位产量的全球增温潜势.但长期将秸秆进行焚烧处理,降低土壤质量的同时排放大量污染性气体,需进一步筛选稻秆处理还田方式进行田间试验观测,寻求最佳措施.

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