铁炉渣施加对稻田氧化亚氮通量的影响

林 芳， 蓝 妮， 王 纯,2， 王维奇,2， 林德华,2

(1. 福建师范大学 地理科学学院， 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)

气候变暖是当今全球性的环境问题，对人类生存环境的变化有着十分重要的影响，其主要原因是大气中温室气体浓度不断增加。氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一。其100年尺度的增温潜势分别是二氧化碳的296倍，甲烷的13倍[1]。稻田是N2O的重要的来源地，人们对稻谷需求量的增加，以及氮肥的过量使用会导致N2O排放的增加。因此，在扩大粮食生产的同时如何有效地减少稻田N2O排放的研究意义重大。

富含氧化态的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[2-3]，但关于铁受体在减排稻田甲烷排放的同时，对于另一种重要的温室气体N2O的影响如何，尚未见专门报道。深入探讨铁炉渣施加对稻田N2O排放影响的过程与有效性，对于科学评价铁受体在稻田温室气体减排方面应用与推广具有重要的理论与实践价值。本研究开展了铁炉渣施加对稻田N2O通量的影响研究。

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1 392.5 mm，蒸发量为1 413.7 mm，相对湿度为77.6%，地貌主要为冲海积平原，地表平坦，海拔3～5 m，零星分布剥蚀丘陵地貌[4]。实验区(见图1)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[5]，该实验基地共有稻田7 hm2[6]。土壤耕作层有机碳含量为18.11 g/kg，全氮为1.28 g/kg，全磷为1.07 g/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，同年7月中旬收获结束。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，2011年4月16日机插移栽，机插采用春苗插秧机，株行距14 cm×28 cm。施肥见情况文献[7]。水稻生长期基本处于淹水状态，水深约5～7 cm，水稻成熟时晒田。

图1 采样点位置图

在实验区选择相对平整的稻田，设置对照样地(CK)和施加2 Mg/hm2(Fe I)、4 Mg/hm2(Fe II)和8 Mg/hm2(Fe III)的铁炉渣样地，并在水稻移栽前将铁炉渣施加到实验田里。每个处理样地长和宽为4 m×2 m，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两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%)，设置对照，施加量以比例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 气体采集与分析方法

采用静态箱法-气相色谱法对稻田N2O日通量与季节通量进行测定。静态箱由顶箱和底座两部分组成，顶箱长宽高分别为0.3、0.3、1.0 m(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0.3、0.3、0.3 m(具凹槽)，并在整个生长期固定在样地内。

采样时间一般选在9：00～13：00，在约9：00和12：00各测定1次N2O通量，这样重复测定2次可使N2O通量更加接近于一天的平均值，提高数据的准确性。N2O通量的测定采用静态箱法直接测定，盖上顶箱后立刻用100 mL注射器抽取N2O气体70 mL，并打入气袋内，后每隔15 min再抽取1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N2O气体外泄。孔隙水中溶解性N2O的采集采用孔隙水取样器，并将10 mL孔隙水注入到预先抽真空的密封玻璃瓶(20 mL)，放在冰盒中，带回实验室放入冰柜4 ℃保存。

N2O通量为7天测定1次，日通量测定分别于水稻分蘖期(2011年5月20日)和成熟期(2011年7月3日)各测定1次，时间间隔为3 h，孔隙水中溶解性N2O为15天测定1次。

N2O的测定与通量的计算方法参照文献[8]。孔隙水中N2O浓度c(nmol/L)计算公式[9]如下：

c=[(ch×Vh)/22.4]/Vp

其中Ch为小瓶上部空间N2O浓度c(nL/L)，Vh为小瓶上部空间体积(mL)，Vp为小瓶里孔隙水体积(mL)。

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。N2O季节通量数据为9:00与12:00测定结果的平均值，采用SPSS 13.0中One—Way ANONY对不同比例炉渣施加量的稻田N2O日通量、季节通量和孔隙水中溶解性N2O的差异性进行检验，显著性水平小于0.05表示两者呈显著差异性，小于0.01表示两者间呈极显著差异。

2 结果与分析

2.1 铁炉渣施加对生长期稻田N2O通量日变化的影响

分蘖期5月20日(晴)，CK、Fe I、Fe II和Fe III样地的N2O通量(见图2)分别为：-14.02～10.73、-19.98～21.25、-14.87～17.54、-16.25～23.32 μg/(m2·h)，平均通量分别为：-1.37、2.78、0.15、3.14 μg/(m2·h)。观测日内N2O通量各炉渣处理组明显高于CK组，但差异不显著(P>0.05)。同时，各炉渣处理组和CK组N2O通量具有明显的日变化规律，呈降低—升高—降低的趋势。其中，Fe I样地的变幅最大，Fe II和Fe III样地次之，CK组变幅最小，这说明炉渣的施加增加了N2O通量日变化的异质性，但观测日各炉渣处理组与CK组N2O通量差异不显著(P>0.05)。

成熟期7月3日(阴雨)，CK、Fe I、Fe II和Fe III样地N2O通量(见图3)分别为： -28.53～58.08、-268.4～40.411、-24.5～51.477、-18.55～15.593 μg/(m2·h)，平均通量分别为：16.25、2.26、13.57、2.33 μg/(m2·h)。铁炉渣的施加降低了观测日内N2O通量，Fe I、Fe II和Fe III样地对CK组N2O通量减少比例分别约为86.1%、16.5%、85.7%。其中Fe I和Fe III样地对N2O减排尤为显著(P<0.05)。

图2 2011年5月20日稻田N2O通量的变化

图3 2011年7月3日对N2O通量的变化

2.2 铁炉渣施加对生长期稻田N2O通量季节变化的影响

CK、Fe I、Fe II和Fe III样地N2O季节通量(见图4)分别为：-84.77～358.83、-19.11～225.23、-59.09～171.17、-89.27～146.62 μg/(m2·h)，平均通量分别为：36.09、28.54、26.97、12.14 μg/(m2·h)，铁炉渣施加后，降低了N2O的平均通量，但差异不显著(P>0.05)。N2O累积排放主要集中在水稻移栽后1个月内，CK组和各炉渣处理组N2O通量季节变化并无明显的差异。

图4 生长季节稻田N2O通量

对水稻生长期炉渣施加量和N2O排放量进行指数分析发现，CK、Fe I、Fe II和Fe III样地生长季稻田N2O排放量分别为79.69、63.02、59.55、26.80 mg/m2，Fe I、Fe II和Fe III样地对CK组样地N2O排放减少比例分别为20.9%、25.3%、66.4%，表现为随着铁炉渣施加浓度的增加，N2O排放量逐渐降低。N2O排放量y与铁炉渣施加量x存在以下关系：y=85.117e-0.134 2x，R2=0.934 2。

2.3 铁炉渣施加对稻田孔隙水N2O浓度变化的影响

测得的稻田孔隙水N2O浓度变化情况见图5。

CK、Fe I、Fe II和Fe III样地深度为0～10、10～20、20～30 cm土层的孔隙水N2O平均浓度分别为：1.566 6、0.417 5、1.257 4、1.078 9 nmol/L；0.519 0、0.443 2、0.413 5、0.384 2 nmol/L；0.739 1、0.349 7、0.382 0、0.533 0 nmol/L。在0～10 cm土层， Fe I、Fe II和Fe III样地对CK组N2O平均浓度减少分别为73.3%、19.7%、31.1%，Fe I对孔隙水中N2O的减排最为显著(P<0.05)；CK和Fe III样地在中期N2O浓度出现峰值，Fe II在中期出现一个次高峰在后期出现最高峰；在10～20 cm土层， Fe I、Fe II和Fe III样地对CK组N2O平均浓度减少比例分别为14.6%、20.3%、26.0%，表现为各炉渣处理组对稻田孔隙水N2O浓度减排均不明显；在20～30 cm土层，Fe I、Fe II和Fe III样地对CK组N2O平均浓度减少比例分别为52.7%、48.3%、27.9%。Fe I对孔隙水中N2O的减排最显著(P<0.05)，Fe II次之，Fe III相对CK组减排比例最小。0～10 cm土层和第20～30 cm土层炉渣施加对稻田孔隙水N2O浓度的减少幅度都大于10～20 cm土层。

图5 稻田各层孔隙水N2O浓度

2.4 铁炉渣施加对非生长季节稻田N2O排放的影响

CK、Fe I、Fe II和Fe III样地非生长季节稻田N2O通量依次为： 14.34～285.28、2.44～211.06、18.34～111.35、-12.33～52.15 μg/(m2·h)，平均通量分别为：176.78、76.42、68.12、19.91 μg/(m2·h)，随着炉渣添加量的增加N2O通量相应减少(见图6)，Fe I、Fe II和Fe III样地对CK组N2O通量减少比例分别为56.8%、61.5%、88.7%。CK组的变幅最大，Fe I、Fe II样地次之，Fe III变幅最小。CK组变化程度是Fe III样地的4.2倍。

图6 非生长季稻田N2O通量

3 结论与讨论

对比5月20日(晴)和7月3日(阴雨)铁炉渣施加对稻田N2O排放日变化的影响发现， N2O排放低时(5月20日)，铁炉渣施加对稻田N2O排放影响不明显，而N2O排放相对较高时(7月3日)铁炉渣施加降低了稻田N2O排放。究竟是什么原因导致这种差异，有待于今后进一步的深入研究。铁炉渣施加后对稻田N2O排放的季节变化影响不明显，这可能是因为N2O的排放是产生、传输、排放综合作用的结果[10]，但前期排放较高，与稻田管理中的施肥情况有关[11]。土壤N2O排放通量取决于土壤硝化与反硝化的反应速率、N2O在反应产物中的比例及N2O逸散进入大气前在土壤中的扩散程度和被还原程度[12]。随着铁炉渣浓度的增加，土壤各层孔隙水中N2O的浓度不断减小，这与Huang等[13]研究结论相似，总体来看， 0～10 cm 层N2O的浓度最高，主要原因有以下两点：一是受到施肥的影响，使得表层氮源较为丰富，有利于N2O的生成和积累；二是地表干湿交替的频率高于底层，也有利于N2O的生成和积聚。基于此，本研究初步推断稻田土壤表层可能是N2O生成的主要发生层。此外，从不同层次孔隙水N2O浓度的变化趋势看，表层孔隙水N2O浓度的波动性较大，这与稻田土壤表层多变的环境条件密切相关，而底层N2O浓度的稳定性也正是环境相对稳定性的表现。

非生长季稻田N2O的排放量随着铁炉渣浓度的增加而相应减少。生长季节的稻田N2O的排放量小于非生长季节，且都随着炉渣施加量的增加而减小。这主要是由于水稻成熟前稻田长期处于淹水状态，土壤缺氧，氧化还原电位较低，N2O排放较少，而收获后排干晒田，提高了氧化还原电位，有利于土壤硝化反硝化反应同时进行，从而导致观测后期N2O排放量急剧上升[14-15]。

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