稻田土壤氧化态有机碳组分变化及其与甲烷排放的关联性

吴家梅，纪雄辉,霍莲杰，彭 华，刘 勇

(1. 中南大学研究生院隆平分院，长沙 410125；2. 农业部长江中游平原农业环境重点实验室，长沙 410125；3. 湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；4. 湖南省植物保护研究所，长沙 410125)

稻田土壤氧化态有机碳组分变化及其与甲烷排放的关联性

吴家梅1,2,3，纪雄辉2,3,*,霍莲杰1,3，彭 华2,3，刘 勇4

(1. 中南大学研究生院隆平分院，长沙 410125；2. 农业部长江中游平原农业环境重点实验室，长沙 410125；3. 湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；4. 湖南省植物保护研究所，长沙 410125)

稻田土壤有机碳是甲烷排放的关键底物之一，不同研究者由于采取的有机碳研究方法不同而得出稻田甲烷排放与土壤有机碳关系的结论不一。为明确影响稻田甲烷排放的土壤有机碳组分，设计了稻田施用不同外源有机碳(稻草还田、鸡粪和猪粪)的田间试验，对稻田甲烷排放和土壤有机碳组分的动态变化及其关联性进行监测和分析。结果表明，猪粪处理的甲烷排放与化肥处理无显著差异，而鸡粪和稻草2个处理的甲烷排放分别比化肥增加1.67倍(P<0.05)，2.69倍(P<0.05)；甲烷排放量与土壤易氧化有机碳含量显示相同顺序：稻草>鸡粪>猪粪>化肥；通径分析表明，土壤易氧化有机碳组分1(被33 mmol/L KMnO4氧化的有机碳)与甲烷排放直接相关，其他有机碳组分仅通过组分1间接作用于水稻生育后期甲烷排放，且排放量较低。由此推断，易氧化有机碳组分1是甲烷排放的主要底物，通过有效措施降低肥源中易氧化态有机碳组分1是减排甲烷的关键技术之一。

甲烷排放；土壤易氧化有机碳；组分1；关联性

CH4是最重要的温室气体之一，对全球变暖的贡献占20%—39%[1]。CH4被认为是仅次于CO2的重要温室气体之一[2]。稻田是大气CH4的重要排放源之一[3- 4]，年排放量占全球CH4总排放的5%—19%[1]。中国稻田面积占世界水稻种植面积的23%，稻田CH4排放在我国农业温室气体排放总量中占有重要的份额，其减排机制与措施的研究成为农田生态环境领域的热点。

关于土壤有机碳与CH4排放关系，由于采取的碳分类方法差异得出的结论不尽一致[5- 6]。由于土壤中的有机碳成分复杂且土壤间差异较大，尽管普遍认为土壤总有机碳是稻田产CH4的底物，但因土壤有机碳积累及稻田土壤条件差异，仍无法说明土壤有机碳与稻田甲烷排放的关联性。相比土壤总有机碳，许多研究者发现土壤中活性有机碳变化比较敏感，是微生物生长的速效基质，其含量的高低直接影响土壤微生物的活性，从而影响甲烷气体的排放。Wang等认为产甲烷菌需要额外的速效碳源来激活[7]。Yagi等指出CH4排放量和易矿化碳呈明显的线性关系[8]。Vermoesen 研究土壤水溶性有机碳的含量与CH4的产生量显著相关[9]。而焦燕等研究表明，CH4排放与土壤中的水溶性有机碳含量未表现明显相关性[10]。

Logninow将土壤中的有机碳按氧化程度分成3个组分[11]，而能被333mmol/L高锰酸钾溶液氧化的有机质在种植作物时变化最大。Chan[12]和 Blair[13]研究采用高锰酸钾氧化法测定的有机碳组分可作为农业可持续发展的指标。本文拟通过监测稻田施用不同类型外源有机碳后土壤易氧化有机碳动态和甲烷排放规律，探讨土壤氧化态有机碳组分之间的变化及与甲烷排放的关联性，为稻田甲烷排放的有机肥管理技术提供基础支撑。

1.1 供试土壤

不同施肥处理定位试验于2010年在湖南省长沙县干杉乡大屋组进行(N 28°08′18″，E 113°12′0″)，该地区海拔42 m，年平均温度为17.1 ℃，年降水量1,500 mm，年≥10 ℃积温5300—6500 ℃，为南方典型的水稻生产区。土壤类型为第四纪红壤发育的红黄泥水稻土，化学性状：土壤pH值6.0，有机碳19.3 g/kg、全氮2.04 g/kg、全磷0.85 g/kg、全钾9.2 g/kg、碱解氮212 mg/kg、Olsen-P 11.1 mg/kg、交换性钾97 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2010年开始，共设置5个处理：1)无肥(CK)；2)化肥氮磷钾(CF)；3)猪粪+化肥氮磷钾(PM)；4)鸡粪+化肥氮磷钾(CM)；5)稻草+化肥氮磷钾(RS)。每个处理3个重复，采用单因素随机区组设计。各个小区长3.0 m，宽2.8 m，每个小区田埂和区组之间的排灌水沟田埂均用塑料膜包裹隔开。插秧前期田间保持淹水状态。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾，有机肥为风干腐熟肥料，不同有机肥处理所施入土壤C保持一致，均为2850 kg/hm2，同时利用尿素调控施入的氮量(有机氮+无机氮)一致。稻草施用前剪成20 cm小段，撒入田间与15 cm土层混匀。具体的有机肥的性质和不同处理的肥料施用量见表1和表2。水分管理和病虫草害防治与当地大面积生产相一致。

水稻品种为准两优608，2011年6月1日播种，17日施有机肥，22日施化肥，23日移栽。水稻的返青期、分蘖期水稻保持淹水状态，田面水约在1—5 cm左右。7月19日水稻进入分蘖盛期开始排水，持续到8月25日。8月26日开始灌水，从8月26日到9月25日水稻土壤保持干湿交替状态，10月30日排干水，持续到水稻成熟，10月9日收获。

表1 有机肥的养分含量及施用量

表2 不同处理的有机肥、化肥养分施入量

1.3 测定项目

1.3.1 气体采集与分析

CH4的采样时间于2011年6月21日至10月8日间，每周采样1次。采用密闭静态箱测定，每次采样时间固定在9:00—10:00，采样时间分别为罩箱后的0、10、20、30 min，每次抽取45 mL气体样品。气体样品采用Agilent 7890A气相色谱仪分析,检测器FID,检测温度250 ℃,柱温50 ℃，标准气体由国家标准物质中心提供。稻田CH4排放通量的计算见Zheng的方法[14]。

1.3.2 土壤采集与分析

土壤的采集时间为2011年6月21日至10月8日，分别在苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期、乳熟期和成熟期采样，土壤鲜样装入低温贮藏箱并迅速运回实验室，直接用新鲜土壤进行分析。采用33 mmol/L、167 mmol/L和333 mmol/L高锰酸钾浸提测定土壤易氧化有机碳[11]。

组分1：33 mmol/L高锰酸钾浸提测定土壤活性有机碳；

组分2：167 mmol/L与33 mmol/L高锰酸钾浸提土壤活性有机碳之差；

组分3：333 mmol/L与167 mmol/L高锰酸钾浸提土壤活性有机碳之差。

1.4 统计分析

最后的数据采用3次结果的平均值±标准偏差，数据统计分析利用SPSS 17.0，按照随机区组设计，比较不同处理间的差异显著性，L.S.D多重比较进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理稻田甲烷排放的变化

2.1.1 稻田甲烷排放通量动态变化

图1 不同施肥处理稻田CH4排放通量季节变化Fig.1 The seasonal variation of CH4 emissions from rice

由不同施肥处理稻田CH4排放通量季节变化(图1)可见，不同处理稻田甲烷主要排放在施有机肥到8月5日(拔节期)，之后的排放逐渐减少，一直持续到水稻成熟。施用稻草和鸡粪处理的甲烷排放通量显著高于其他处理，猪粪、化肥和无肥处理排放较低，且没有显著排放差异。稻草和鸡粪处理的甲烷排放模式一致，而猪粪处理与无肥和化肥处理排放模式保持一致。在施用有机肥后，稻草和鸡粪处理分别达到处理的最高峰，排放通量的峰值最大是稻草处理，达到221.6 mg·m-2·h-1，其次是施用鸡粪处理，为128.2 mg·m-2·h-1，猪粪、化肥和无肥处理的前期排放波动不大，主要在1.5—30.4 mg·m-2·h-1之间。所有的甲烷排放均集中在施肥到分蘖期，占了全部排放总量的59.4%—80.7%。

2.1.2 不同时期的甲烷排放量

表3可见，不同施肥处理的一季稻田甲烷排放总量在257.7—794.9 kg/hm2，排放总量的顺序为稻草>鸡粪>猪粪>化肥>无肥。猪粪稻草、鸡粪和猪粪处理分别是化肥处理的1.2倍、1.7倍(P<0.05)和2.7(P<0.05)倍。

水稻不同时期的甲烷排放量可见(表3)，水稻的主要排放时期在苗期、分蘖期、拔节期和抽穗期，占总排放量的91.1%—96.6%，之后的时期排放大大的减少。不同时期均表现为稻草处理排放量>鸡粪处理>猪粪处理>无肥和化肥处理，化肥和无肥处理排放差别不大。其中无肥、化肥和猪粪处理在甲烷排放量在分蘖期最高，而鸡粪和稻草处理排放峰值提前，在苗期最高。

表3 水稻不同时期的甲烷排放量

表中小写字母代表处理间Duncan多重比较P<0.05显著水平

2.2 土壤易氧化态有机碳与排放的关系变化

2.2.1 土壤易氧化态有机碳

(1)不同时期土壤易氧化态有机碳变化动态

表4为不同组分土壤易氧化有机碳在整个稻季的变化情况。易氧化有机碳组分1含量在1.7—3.6 g/kg之间；在苗期含量低，在分蘖期达到最高值后含量随之下降，灌浆期略有提高，成熟期降到整个生育期的最小值。

易氧化有机碳组分2含量在灌浆期达到最高值，含量随之下降，施用有机肥处理的组分2 含量在乳熟期略有提高，成熟期降到整个生育期的最小值。易氧化有机碳组分3的波动较大，从苗期呈“W”形波动减少。

(2)土壤易氧化态有机碳组分比例

水稻不同生育期所有处理的土壤易氧化态碳组分含量均表现为组分1>组分2>组分3。组分1占易氧化态有机碳的比例最高，为42.7%—65.0%；其次为组分2，23.3%—48.9%；组分3占的比例最小，2.7%—17.1%。

表4 2011年水稻不同时期的土壤易氧化有机碳(g/kg)

(3)不同处理间土壤易氧化态有机碳组分的关系

不同处理间易氧化有机碳组分1可以看出，在水稻的不同生育期的各个处理间的易氧化有机碳均为稻草处理高于鸡粪高于猪粪、化肥和无肥处理。不同生育期的稻草、鸡粪处理显著高于无肥和化肥处理。

不同处理间易氧化有机碳组分2的不同生育期也为稻草处理高于鸡粪高于猪粪、化肥和无肥处理，在苗期各处理无显著性差异，分蘖期和拔节期为有机肥处理显著高于无肥处理，抽穗期是稻草和鸡粪处理高于无肥处理。

不同处理间易氧化有机碳组分3含量为稻草处理高于鸡粪高于猪粪、化肥和无肥处理。在苗期、拔节期、抽穗期、成熟期不同处理间无显著性差异，其他处理为稻草和鸡粪处理显著高于无肥和化肥处理。

(4)易氧化有机碳组分间的关联

通过相关性分析表明(表5)，分蘖期、拔节期、乳熟期和成熟期的可氧化有机碳组分2的含量与组分1的各个时期均呈显著的相关性。苗期组分2与组分1和组分3的各个时期无相关性。

拔节期的组分2与拔节期、抽穗期、灌浆期、乳熟期及成熟期的组分1均呈极显著的相关性。抽穗期的组分2与抽穗期、乳熟期的组分1呈极显著相关性。苗期的组分3与灌浆期的组分2呈极显著相关性。分蘖期的组分3与分蘖期、拔节期、乳熟期和成熟期的组分2呈显著相关性。拔节期的组分3与拔节期、灌浆期的组分2呈显著相关性。

表5 水稻不同时期的土壤易氧化有机碳之间的相互关系

*代表P<0.05的显著水平，**代表P<0.01的极显著水平极显著水平

2.2.2 土壤易氧化有机碳与排放的关系

对不同有机碳组分与排放量进行通径分析。通过分析得到模型：

y= -393.6 + 237.7x1- 63.0x2- 21.6x3

式中，y为甲烷排放量，x1为组分1含量，x2为组分2含量，x3为组分3含量，F=21.43，P<0.0001，达到极显著水平。

y对x1、x2和x3通径系数分析表明(表6)，不同组分易氧化有机碳对甲烷排放量的作用依次为组分1>组分3>组分2。组分1与排放量的相关系数最大，直接通径系数也最大，均达到极显著水平，组分1通过其他组分的间接效应较小，这说明组分1对甲烷排放的作用主要来自本身。

组分2与排放的相关系数和直接通径系数均达到到极显著水平，其他组分通过组分2的间接通径系数为负值，说明其他组分通过组分2的间接作用都不大，组分2对甲烷的影响为负作用。

组分3与排放通量的相关系数在组分1和2之间，对甲烷的直接通经系数为负值也达到了显著水平，其他组分通过组分3对甲烷排放作用中的间接同进系数均为负值，说明其他组分通过组分3的间接作用都不大。

表6 土壤易氧化有机碳与排放总量的通径分析

下划线“ ”的数据为直接通径系数，其余为间接通径系数

3 讨论

3.1 稻田甲烷排放量

水稻的不同时期有不同的排放量，一般水稻的排放高峰在生育前期，水稻甲烷的季节排放在抽穗期或灌浆期后排放开始降低[15]，我们的研究结果也表明，水稻生育前期甲烷排放量高，施肥到分蘖期结束后占整个排放的80%左右。

一般的研究结果认为，水稻在分蘖期的甲烷排放量最高[16]，因为此时期气温较高，植物体通气组织已比较发达，传输CH4的净效应(CH4传输率减去CH4氧化率)比较大[17- 18]。研究结果显示无肥、化肥和猪粪处理的排放量在分蘖期最高，苗期次之，而鸡粪和稻草的排放量在苗期的排放量最高，苗期次之。主要的原因可能是与施入有机肥的易分解程度及可被微生物利用的碳等有关。虽然试验所用的有机肥保持相同的施碳量，但是猪粪、鸡粪和稻草中的能被33 mmol/L高锰酸钾氧化的易氧化有机碳的含量分别为11.9，19.3和36.2g/kg，导致有机肥施入稻田后，就直接进入土壤水中[19]，能马上为被微生物利用，引起甲烷的大量排放，而猪粪处理虽然引起的甲烷的排放，但是水稻在不施肥的情况下分蘖期本身引起的排放较高，达到119.7 kg/hm2，超过了由此肥料引起的排放，致使猪粪处理在分蘖期排放量最大。

许多研究证实了外源有机碳显著提高甲烷菌活性、激发土壤有机质产生甲烷、促进稻田甲烷排放[8,10,20- 22]。尤其是稻草直接还田，与不施用稻草相比，Ma 等表明不同方式的稻草还田增加甲烷排放3.9—10.5倍[23- 24]。去年的结果证实稻草还田增加甲烷排放 4.26倍[25]。田间观测结果也表明，施用有机肥尤其是稻田还田处理，显著提高了稻田甲烷排放，稻草、鸡粪和猪粪处理的CH4总排放量是分别是化肥处理的1.2、1.7和2.7倍。

产生甲烷的基质主要来源于土壤中的有机物质、外源有机物质(人为施入和动植物残体)。增加外源碳输入是提高土壤有机碳的唯一手段，但是不同外源碳对土壤有机碳总量和类型的影响是有差异的，引起的碳排放也是不同的。那么必然存在某一部分有机碳与甲烷排放有相关性。这些有机物质首先在微生物的作用下分解成形态相对简单的有机物如糖类、有机酸等，然后进一步转化成产甲烷前体。本研究所用的稻草、鸡粪和猪粪等外源有机碳所含的纤维素和半纤维素含量均为：稻草>鸡粪>猪粪。在土壤中纤维素和半纤维素是属于还原能力较强的有机物质，淹水环境下其水解发酵和产甲烷过程中起着十分重要的作用[26]。

3.2 甲烷排放量与有机碳组分的关系

土壤中易氧化有机碳组分1、2和组分3的含量在不同的生育期均为稻草处理高于鸡粪高于猪粪、化肥和无肥处理。其中组分1在不同生育期的稻草、鸡粪处理还显著高于无肥和化肥处理。这与稻田甲烷的排放通量保持一致的趋势。由此可见，稻田甲烷排放和土壤中易氧化有机碳含量有相同的变化趋势。可能的原因是在稻田淹水的还原环境下，有机物的数量和对厌氧微生物的有效性在甲烷形成过程中起着决定性作用[26]。土壤中的活性有机碳在土壤易移动、易分解，能被微生物利用作为碳源[27]，易氧化有机碳属于活性有机碳类型，在淹水稻田土壤中容易分解且变化比较明显，因此土壤中易氧化有机碳的含量与甲烷排放的关系非常密切。

有机碳组分与甲烷排放量的通径分析结果表明，不同组分易氧化有机碳对甲烷排放量的作用依次为组分1>组分3>组分2。组分1与排放量的相关系数最大，且对甲烷排放的作用主要来自本身，而组分2和3对甲烷的影响为负作用。可见土壤中易氧化有机碳碳组分1显著的影响甲烷排放。在稻田甲烷的排放研究中，推测选择施用能被33 mmol/L高锰酸钾易氧化有机碳的有机肥，可能减少稻田甲烷排放。

3.3 水稻生育时期与土壤有机碳组分的关系

一般认为，施入土壤中的有机物料(如作物残茬、秸秆、有机肥等)可分为易分解与难分解两组分[28- 29]。而组分之间可以转化，尤其是难分解的组分，在环境适宜的条件和微生物的作用下向易分解的转化。通过对土壤中各组分的相关性分析可以得出，组分2的分蘖期和拔节期分别与组分1此时期及后面的时期呈显著相关性，可以推测出，组分2的易氧化的有机碳在分蘖期和拔节期分别向组分1的此生育期及之后的生育期转化，可能是因为在水稻的根系氧化力在分蘖期最高，其次是齐穗期，而成熟期的氧化能力最低[30- 31]，由于根系在分蘖期和拔节期的氧化能力强，因此在此时期的施入土壤中的难分解的有机碳被部分的分解，导致组分2的含量向组分1转化。而组分3的分蘖和拔节期分别与组分2的部分时期的相关性也说明了组分3在分蘖和拔节期想组分2转化。由于分蘖期、拔节期的根系活性强，分泌物多，造成土壤中的难分解的氧化有机碳向易分解的有机碳转化。

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FractionchangesofoxidationorganiccarboninpaddysoilanditscorrelationwithCH4emissionfluxes

WU Jiamei1,2,3, JI Xionghui2,3,*, HUO Lianjie1,3，PENG Hua2,3，LIU Yong4

1BranchofLongping,GraduateCollege,CentralSouthUniversity,Changsha410125,China2KeyLaboratoryofAgri-EnvironmentinMidstreamofYangtzePlain,MinisterofAgriculture,Changsha410125,China3InstituteofSoilandFertilizerinHunanProvince,Changsha410125,China4HunanPlantProtectionInstitute,Changsha410125,China

Application of organic manure increases methane emissions from rice paddy fields by increasing soil organic matter. Soil organic carbon is one of the key substrates that affect methane emission from paddy soils. Different methods of researching organic carbon have been used by different researchers which have led to different conclusions regarding correlations between organic carbon and methane emission from paddy soils. To define how methane emission is influenced by fractions of soil organic carbon, a paddy field experiment with application of different exogenous organic carbon (rice straw + chemical fertilizer, chicken manure + chemical fertilizer and pig manure + chemical fertilizer) was used to monitor and analyze methane emission, changes in organic carbon fractions and their correlation. A week after application of organic manure, rice straw +chemical fertilizer (RS) and chicken manure + chemical fertilizer (CM) showed emission peaks of 221.6 and 128.2 mg·m-2·h-1, respectively. The methane emission was mainly concentrated before the heading stage. The amount of methane emitted in the growing season following the chemical fertilizer (CF) treatment was 296.0 kg/hm2and following the pig manure + chemical fertilizer (PM), CM, and RS treatments were 340.7, 493.6 and 794.8 kg/hm2, respectively. There was no significant difference in methane emissions between the PM and CF treatments, while emissions from the CM and RS treatments were 1.67 times (P< 0.05) and 2.69 times (P< 0.05) higher than from the CF treatment, respectively. Amounts of methane emission and the content of oxidizable organic carbon in the paddy soil followed the same order: RS > CM > PM > CF and no fertilizers. The content of organic C fractions followed the order: fraction 1 (organic C oxidizable by 33 mmol/L KMnO4) > fraction 2 (the difference in C oxidizable by 167 mmol/L and that by 33 mmol/L KMnO4) > fraction 3 (the difference in C oxidizable by 333 mmol/L and that by 167 mmol/L KMnO4). Fraction 1 was the highest proportion of the easily oxidizable organic carbon at 42.7%—65%; followed by fraction 2 at 23.3%—48.9%; and fraction 3 was the smallest at 2.7%—17.1%. Fractions 1 and 2 in the tilling stage were higher than in the other stages in rice growth, and were a minimum in the mature rice. Fraction 1 in the rice growing season showed the same trend with methane emission as the RS and CM treatments, being obviously higher than the CF and no fertilizer treatments. Results of path analysis showed that, for fraction 1, the direct path coefficient and correlation coefficient were extremely significant at 1.0381 and 0.6709, respectively, whereas the direct path coefficients of fraction 2 and fraction 3 had negative values. Among all the organic carbon fractions, fraction 1was directly related to methane emission, while the other organic carbon fractions were only indirectly related to methane emission through fraction 1 during the later growth stages of rice, and the emission amounts were lower. Taken together, our results show that fraction 1 of the oxidizable organic carbon was the primary substrate of methane emission. Effective measures causing a decline in fraction 1 as a proportion of oxidation organic carbon in fertilizer resources and soil are possible key technologies for mitigating methane emissions from paddy fields.

CH4emission; soil organic carbon; fraction 1; correlation

国家科技支撑计划(2013BAD11B02)

2012- 05- 14;

2012- 10- 23

*通讯作者Corresponding author.E-mail: jixionghui@sohu.com

10.5846/stxb201205140709

吴家梅，纪雄辉，霍莲杰，彭华，刘勇.稻田土壤氧化态有机碳组分变化及其与甲烷排放的关联性.生态学报,2013,33(15):4599- 4607.

Wu J M, Ji X H, Huo L J，Peng H，Liu Y.Fraction changes of oxidation organic carbon in paddy soil and its correlation with CH4emission fluxes.Acta Ecologica Sinica,2013,33(15):4599- 4607.