稻田土壤理化特征与甲烷排放对铁炉渣施加响应

王维奇，王 纯，李鹏飞，林德华

（1.福建师范大学 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建师范大学 亚热带湿地研究中心，福建 福州 350007）

全球变暖是当今的热点问题，甲烷因其高效的单分子增温潜势使其成为仅次于二氧化碳的重要温室气体［1－2］。甲烷的主要生物源是厌氧生境，稻田的持续性淹水成为主要的甲烷排放人为源，排放量为20～100 Tg／a［3］。因此，如何有效地减缓稻田甲烷排放并抑制全球变暖成为了各国政府和科学家关注的问题。国内外学者已通过水分管理［4－5］、土壤改良［6－7］、水稻品种选择［8］等方式来减少稻田甲烷排放。

电子受体对甲烷产生的抑制作用已得到了国内外专家学者的认可［9－10］，在诸多电子受体之中，铁受体因其在土壤中的数量较多且在稻田排干后的可再生特性，使其在稻田甲烷减排过程中得到重视［11］。铁炉渣作为钢铁工业的废弃物，含有丰富的铁受体。Ali等［12］的实验表明，可使稻田甲烷减排16%～20%，与此同时，稻谷产量提高了13%～18%。但这一成果是在温带地区稻田开展的，在亚热带区域铁炉渣的施加是否也可实现甲烷减排与稻谷增产尚不清楚；若可实现，主要是通过哪种土壤因子的改变而降低稻田甲烷排放的，也鲜见报道。基于此，本研究开展了铁炉渣调节稻田甲烷排放的影响因子分析，为我国稻田甲烷减排提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样点

研究区位于闽江河口区福州平原的南分支——乌龙江的北岸，属亚热带季风气候，年均气温为19.6℃，年均降水量为1392.5mm，蒸发量为1413.7mm，相对湿度为77.6%，地貌主要为冲海积平原，地表平坦，海拔3～5m，零星分布剥蚀丘陵地貌［13］。实验区位于福建省农科院水稻所吴凤综合实验基地（26.1°N，119.3°E）内［14］，该实验基地共有稻田7hm2［15］。土壤耕作层有机碳含量为18.11g／kg、全氮1.28g／kg、全磷1.07g／kg。实验区内主要实行早稻—晚稻—蔬菜的轮作制度，本实验点的前茬作物为花菜，实验前对翻耕后的田地进行人工整平，以保持土壤的均一性。实验始于2011年4月中旬，至同年7月中旬结束。实验稻田为早稻田，水稻栽培品种为江西省农科院研发的和盛10号，4月16日机插移栽，机插采用春苗插秧机，株行距为14cm×28cm。施用底肥为复合肥和尿素，施肥量：N、P2O5、K2O 都为70kg／hm2，尿素25 kg／hm2；蘖肥在约1周后施加，为复合肥和尿素，N、P2O5、K2O 都为20kg／hm2，尿素15kg／hm2；穗肥约在8周后施加，为复合肥和尿素，N、P2O5、K2O为10 kg／hm2，尿素8kg／hm2。水稻生长期基本处于淹水状态，水深约5～7cm，水稻成熟时晒田。

在实验区选择相对平整的稻田，设置对照样地（CK）和2Mg／hm2（Fe I）、4Mg／hm2（Fe II）、8Mg／hm2（Fe III）的铁炉渣施加样地，并在水稻移栽前将铁炉渣（经粗粉碎，直径小于2mm）施加到实验田里。每个处理样地长×宽为4m×3m，并用PVC板隔离，防止实验田间水体、物质互相流通交换。各处理设置3个重复，每个静态箱底座里应包含有2株植物体长势相似的水稻苗，以保证测量数据的准确性。最后，计算好要施加的炉渣量（铁炉渣中含有CaO、SiO2和Fe2O3分别为34.9%、40.7%和4.8%），铁炉渣分别均匀撒入实验田中。在测定过程中，为了减少人为干扰，实验均在人工搭设的栈桥上进行。

1.2 样品采集与分析方法

采用静态箱法－气相色谱法对稻田甲烷排放过程进行测定。静态箱由顶箱和底座两部分组成，顶箱长宽高分别为0.3m×0.3m×1.0m（顶端安装有小风扇并具温度计插孔），侧面有抽气孔，底座长×宽×高分别为0.3m×0.3m×0.3m（具凹槽），并在整个生长期固定在样地内。

采样时间一般是09：00—13：00，在约09：00和12：00各测定1次甲烷排放量，这样重复测定2次可使甲烷排放量更加接近于一天的平均值，提高数据的准确性。甲烷排放量的测定采用静态箱法直接测定，盖上顶箱后立刻用100mL注射器抽取甲烷气体70 mL，并打入气袋内，后每隔15min再抽取一次样品，共抽取3次，在抽气过程中保持匀速，同时在底座凹槽内加水密封，防止静态箱内甲烷气体外泄。

与此同时，用IQ150便携式pH计（IQ Scientific Instruments）测定土深为0～20cm土壤温度和pH值；用2265FS便携式电导盐分仪（Spectrum Technologies Inc.）测定土壤盐分。土壤三价铁的测定采用RPA100型铁含量测定仪（江苏江环科技有限公司）。

采集的甲烷气样用日本岛津公司生产的气相色谱仪（GC－2014）进行分析。甲烷检测器为FID，色谱柱为5A分子筛，进样口温度为60℃，检测器温度为200℃，柱箱温度为80℃，载气为高纯氦气，流速为30 mL／min，用中国计量科学研究院生产的CH4标准气体进行校准。通过标准气体和待测气体的峰面积计算待测气体的浓度。甲烷排放量的计算公式为

其中：Q为甲烷排放量（mg／（m2·h））；M 为甲烷的摩尔质量（g）；V为标准状态下1摩尔甲烷气体的体积（L）；H 为静态箱高度；dc／ct为单位时间采气箱内甲烷气体浓度的变化率（μmol／（mol·h））；T 为静态箱内温度（℃）。

1.3 数据处理

应用Excel 2003和SPSS 13.0统计分析软件对测定数据进行整理。原始数据的平均值及标准差的计算采用Excel 2003，甲烷排放的测定数据为09：00与12：00测定结果的平均值，采用SPSS 13.0中One—Way ANONY对不同炉渣施加量比例下稻田甲烷排放、环境因子的差异性进行检验，环境因子与甲烷排放的相关性采用preson相关分析。

2 结果分析

2.1 铁炉渣对稻田甲烷排放的影响

如图1（a）所示，甲烷的排放量在移栽后15d内很低，之后明显增加。CK、Fe I、Fe II和Fe III样地甲烷排放量分别为0.04～7.99、0.03～7.33、0.06～6.30、0.08～5.12mg／（m2·h），平均值分别为4.19、3.28、2.50、2.08mg／（m2·h），各处理之间差异显著（P＜0.05）。

2.2 铁炉渣施加对稻田土壤环境因子的影响

2.2.1 铁炉渣施加对稻田土壤三价铁的影响

铁炉渣中三氧化二铁含量约占4.8%，铁炉渣添加后三价铁离子溶于水稻田土壤中，增加了水稻田土壤的铁含量（见图1（b）），CK、Fe I、Fe II和Fe III样地土壤中三价铁的含量分别为1.32～7.85、2.66～9.11、5.80～12.48、2.99～15.48mg／g，平均值分别为4.21、5.55、8.93、9.88mg／g，用c 表示土 壤中Fe2O3含量，有c（CK）＜c（Fe I）＜c（Fe II）＜c（Fe III），对照样地与Fe I差异显著（P＜0.05），与Fe II和Fe III差异极显著（P＜0.01）。

图1 稻田甲烷排放与三价铁含量季节变化

2.2.2 铁炉渣施加对稻田土壤盐度的影响

从图2（a）中可以看出，施加铁炉渣后，土壤盐度的变化比较明显，CK、Fe I、Fe II、Fe III样地土壤盐度范围分别为0.46～0.73、0.67～1.01、0.65～0.92、0.62～1.23mS／cm，平均值分别为0.62、0.84、0.79、0.93mS／cm，表现出CK的盐度＜Fe II的盐度＜Fe I的盐度＜Fe III的盐度，其中盐度增加最大的是Fe III样地，增幅达50%。对照样地与各处理差异极显著（P＜0.01）。

2.2.3 铁炉渣施加对稻田土壤pH的影响

如图2（b）所示，CK、Fe I、Fe II和Fe III样地土壤pH值范围分别为6.32～6.99、6.40～7.18、6.44～7.49、6.54～7.57，平均值为6.75、6.94、7.05、7.17。铁炉渣的施加增加了土壤pH值，随着炉渣施加量增大，土壤pH值也增大。对照与Fe I差异显著（P＜0.05），与Fe II和Fe III差异极显著（P＜0.01）。

图2 稻田土壤盐度和pH的变化

2.2.4 铁炉渣施加对稻田土壤温度的影响

施加铁炉渣后，测定了不同的铁炉渣施加对水稻田土温的影响。图3显示的是在施加铁炉渣后水稻生长阶段土壤温度变化趋势图。从整体来看，CK、Fe I、Fe II和Fe III样地土温随着水稻移栽天数的增加都是逐渐上升的，中间有遇到阴雨天气可能会导致温度偏低。CK、Fe I、Fe II和Fe III样地土温分别为19.53～27.43、19.43～27.40、19.87～27.43、20.30～27.47℃，平均值分别为23.76、23.82、23.92、24.03℃。各处理样地与对照样地之间差异不显著。

图3 稻田土壤温度变化

2.2.5 稻田甲烷排放与土壤环境因子分析

炉渣施加后土壤中三价铁含量、盐度和pH值发生了显著的变化，相关分析表明，三价铁含量、盐度和pH值的变化与甲烷排放极显著相关，分别有：r＝－0.322，P＜0.01；r＝－0.258，P＜0.01；r＝－0.359，P＜0.01。

3 结论

（1）铁炉渣的施加降低了稻田甲烷排放。

（2）铁炉渣的施加增加了土壤三价铁含量、盐度和pH值，但对土壤温度的影响不显著。

（3）铁炉渣的施加降低甲烷排放与其施加后土壤三价铁含量、盐度和pH值的升高密切相关。

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