炉渣与生物炭对福州稻田土壤温室气体产生的影响

蓝 妮， 王 纯， 王维奇，b

(福建师范大学 a.地理研究所;b.生态地理过程教育部重点实验室，福建福州 350007)

0 引言

由于对全球气候变暖的日益关注，有关稻田温室气体排放在调节中所起的作用研究不断增加。甲烷和氧化亚氮的单分子增温潜势分别为二氧化碳的25和298倍［1］，是重要的温室气体类型。随着世界人口的不断增加，粮食的需求量将逐年升高，其中，对供给世界60%以上人口的主要粮食稻米需求更为迫切［2］，随之而来的稻田甲烷与氧化亚氮排放量也将迅速增加，这将会加速全球气候变暖。因此，协调粮食生产需求与温室气体排放增加的矛盾，实现粮食供给量的提高与温室气体减排同步进行，意义重大［3］。

炉渣与生物炭可改良稻田土壤并增加水稻产量，使其在稻田温室气体减排中的应用得到国际学者们的广泛关注［4-5］。目前，关于炉渣与生物炭对稻田甲烷与氧化亚氮排放的影响研究都是独立开展的，现有的独立研究结果显示，炉渣在日本、韩国的温带地区、中国的亚热带地区均可减少稻田的甲烷排放，这与炉渣中含有异化铁抑制甲烷产生有关［6-8］，但对于氧化亚氮的影响则尚无定论，有研究指出炉渣施加对稻田氧化亚氮排放的影响并不显著［8］，更有研究指出炉渣的施加增加了稻田氧化亚氮排放［6］。然而生物炭对稻田甲烷和氧化亚氮的影响研究结论恰恰相反，对于生物炭对氧化亚氮的影响，无论是在德国的农田土壤、美国北部的草原、农田(燕麦、大豆、玉米)、森林以及垃圾场覆盖土壤，还是中国的稻田、菜地均得出了一致的结论，即生物炭施加可以有效的减少氧化亚氮排放［3，9-13］，对于甲烷排放的影响则没有定论，相关研究主要是集中在我国中亚热带开展，仅有的研究结果表明，在中国江苏的水稻田，生物炭的施加增加了稻田甲烷排放［13-14］，同样是在中国江苏水稻田的研究，生物炭的施加减少了甲烷排放［15］，主要是通过增强甲烷氧化菌活性而实现的，在对中国江西水稻田的研究也得出了一致的结论［16］。然而两种物质的混合施加对稻田甲烷和氧化亚氮的影响研究尚未见报道，对于这一科学问题的深入探讨，突显其重要的理论与实践价值。

基于此，本研究选择福建省水稻研究所吴凤综合实验站为研究样点，开展炉渣与生物炭添加对稻田甲烷与氧化亚氮产生的影响研究，可为筛选福建稻田合适的温室气体减排策略提供参考，也可填补国际上在该领域研究的不足。

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［17］。实验区位于福建省水稻研究所吴凤综合试验基地(26.1°N，119.3°E)内［18］，该试验基地共有稻田 7 hm2［19］。土壤耕作层有机碳含量 18.11 g/kg、全氮 1.28 g/kg、全磷1.07 g/kg。实验区内主要实行早稻—晚稻—蔬菜的轮作制度。

1.2 土壤样品的采集与添加物制备

2012年7月，在福建省农科院吴凤综合实验区选择相对平整的稻田，随机选取3个重复采样点，采集0～15 cm土壤，将采回的鲜土风干并研磨(挑除比较大的根物质与杂质)，过100目筛，将土壤样品充分混合均匀，待实验备用。

生物炭制备是在350℃下经O-KTF1200管式炉(江苏宜兴市前锦炉业)烧制而成，炉渣、水稻秸秆、生物炭粉碎过1 mm孔筛。添加物中秸秆、生物碳、炉渣的总碳含量分别为 317.10、402.57、6.19 g/kg，总氮含量分别为11.79、13.38、10.33 g/kg，速效磷含量分别为 2.27、3.77、0.07 g/kg。

1.3 实验设计

1.3.1 甲烷与氧化亚氮的产生潜力

称取相当于烘干土重10 g的风干土放入120 mL的培养瓶，再分别加入炉渣、秸秆、生物炭及炉渣与生物炭混合物，添加物为2%的土壤重量［20-21］，并设置对照，加入蒸馏水使培养瓶内土水比为1∶2，晃动培养瓶使土壤成泥浆状，每个培养样品设置3个重复，共5个处理。用硅橡胶塞塞住瓶口，瓶塞周围以704胶密封，在塞住瓶口的硅橡胶塞的两边打两个孔，插入玻璃管，一根较长，插入泥浆中，作为N2进口;另一根较短，稍稍插入培养瓶即可，作为N2出口和气体取样口。每次测定CH4和N2O产生潜力时，通过N2进口用高纯N2以300 ml/min的流速冲洗3 min，造成充分的厌氧培养条件，将培养瓶放入28℃培养箱中培养，分别在第 1、3、7、14、21、28、35、42、49、56 d 测定甲烷与氧化亚氮产生潜力，甲烷与氧化亚氮产生潜力通过分析密闭培养一定时间后培养瓶内气相甲烷与氧化亚氮浓度的变化求得［22］。

1.3.2 气样分析

甲烷和氧化亚氮气体浓度分别由两台日本岛津公司生产的GC-2014气相色谱仪测定。甲烷测定检测器为FID(氢离子火焰化检测器)，检测条件为柱温70℃，检测器温度200℃，载气流速30 mL/min;氧化亚氮测定检测器为电子捕获检测器，检测条件为柱温70℃，检测器温度320 ℃，载气流速30 mL/min［23］。

甲烷和氧化亚氮产生潜力计算公式为:式中:P为气体产生潜力 (μg/(g·d));dc/dt为培养箱内气相气体浓度单位时间变化(μmol/(mol·d));VH为培养瓶内上部空间体积(L);Ws为干土质量(g);MW为气体的相对分子质量(g);MV为标准状态下气体摩尔体积(22.4 L/mol);T为培养瓶内温度(K)。

1.4 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，采用SPSS 13.0 中One—Way ANOVA对不同处理甲烷和氧化亚氮产生、累积与综合增温潜势的差异性进行检验。

2 结果与分析

2.1 炉渣与生物炭添加对稻田甲烷产生潜力的影响

整个观测期内，对照、炉渣、生物炭、生物炭+炉渣处理表现为土壤甲烷产生潜力随着培养时间的增加而不断降低，但秸秆添加处理表现为先增加后降低的趋势。对照处理甲烷产生潜力最大值出现在第3 d(0.0229 μg/(g·d))，最小值出现在第 35 d(0.0017 μg/(g·d));炉渣处理甲烷产生潜力最大值出现在第1 d(0.013 9 μg/(g·d))，最小值则出现在第 35 d(0.001 4 μg/(g·d));秸秆处理甲烷产生潜力最大值出现在第14 d(8.778 9 μg/(g·d))，最小值则出现在第1 d(0.069 4 μg/(g·d));生物炭处理甲烷产生潜力最大值出现在第1 d(0.022 5 μg/(g·d))，最小值则出现在第49 d(0.002 6 μg/(g·d));炉渣 +生物炭处理甲烷产生潜力最大值出现在第1 d(0.022 9 μg/(g·d))，最小值则出现在第 42 d(0.001 8 μg/(g·d))。

对照、炉渣、秸秆、生物炭及炉渣+生物炭处理下的稻田土壤甲烷产生潜力依次为0.001 7～0.022 9、0.001 4 ～ 0.013 9、0.069 4 ～ 8.778 9、0.002 5 ～0.022 5、0.001 8 ～0.022 9 μg/(g·d)，平均产生潜力分别为 0.007 1、0.004 9、1.505 1、0.079 0、0.080 0 μg/(g·d)，甲烷产生潜力表现为:秸秆＞炉渣+生物炭＞生物炭＞对照＞炉渣，炉渣的添加显著降低了甲烷的产生潜力(P＜0.05)，约减少了31%，而其他处理并未减少稻田土壤甲烷产生(见图1)。

2.2 炉渣与生物炭添加对稻田氧化亚氮产生潜力的影响

图1 土壤甲烷产生潜力

整个观测期内，炉渣、秸秆处理表现为土壤氧化亚氮产生潜力随着培养时间的增加而不断降低，但对照、生物炭、炉渣+生物炭添加处理则表现为先增加后降低的趋势。对照处理氧化亚氮产生潜力最大值出现在第1 d(0.021 6 μg/(g·d))，最小值出现在第 56 d(0.000 1 μg/(g·d));炉渣处理氧化亚氮产生潜力最大值出现在第1 d(0.010 4 μg/(g·d))，最小值则出现在第56 d(0.000 1 μg/(g·d));秸秆处理氧化亚氮产生潜力最大值出现在第1 d(0.006 9 μg/(g·d))，最小值在第56 d(0.000 1 μg/(g·d));生物炭处理氧化亚氮产生潜力最大值出现在第28 d(0.010 9 μg/(g·d))，最小值则出现在第 49 d(0.000 1 μg/(g·d));炉渣+生物炭处理氧化亚氮产生潜力最大值出现在第28 d(0.018 5 μg/(g·d))，最小值则出现在第 56 d(0.000 1 μg/(g·d))。

对照、炉渣、秸秆、生物炭及炉渣+生物炭处理下的稻田土壤氧化亚氮产生潜力分别是0.000 1～0.021 6、0.000 1 ～0.104、0.000 1 ～0.006 9、0.000 1 ～0.109、0.000 1 ～0.018 4 μg/(g·d)，平均产生潜力分别为 0.003 5、0.001 6、0.001 1、0.002 1、0.002 9 μg/(g·d)，氧化亚氮产生潜力表现为对照＞炉渣+生物炭＞生物炭＞炉渣＞秸秆，炉渣+生物炭、生物炭、炉渣、秸秆处理氧化亚氮产生潜力分别减少了17%、40%、54%和69%，其中，生物炭、炉渣、秸秆处理氧化亚氮产生潜力与对照存在显著差异(P＜0.05)，见图2。

图2 土壤氧化亚氮产生潜力

2.3 炉渣与生物炭添加对稻田甲烷和氧化亚氮综合温室效应的影响

为了更好地评价炉渣与生物炭添加对稻田温室效应的影响，运用温室效应潜势综合估算甲烷和氧化亚氮两种温室气体对大气的潜在增温效应，以进一步阐明炉渣与生物炭添加对稻田温室效应是促进还是抑制。以二氧化碳为参照气体，100 a时间尺度的综合温室效应计算公式［1］为:

式中:PGW为综合增温潜势值(μg CO2-eq g－1);RN2O为观测期(56 d)的氧化亚氮累积释放量(μg/g)，RCH4为为观测期(56 d)的甲烷累积释放量(μg/g)。

表3为5个不同处理下稻田土壤在观测期内甲烷和氧化亚氮累积释放量及其温室效应。从表3可以看出，秸秆、炉渣+生物炭处理甲烷是稻田温室效应主要贡献者，对照、炉渣和生物炭处理则以氧化亚氮是其温室效应的主要贡献者。炉渣处理下的甲烷累积释放量和温室效应与对照相比显著降低(P＜0.05)，比对照处理低 1.27 μg/g 和 31.94 μg CO2-eq g－1;炉渣、秸秆、生物炭处理下的氧化亚氮累积释放量和温室效应与对照相比显著降低(P＜0.05)，分别比对照处理低1.07 μg/g 和 318.34 μg CO2-eq g－1、1.33 μg/g 和394.58 μg CO2-eq g－1、0.79 μg/g 和 233.70 μg CO2-eq g－1。从综合温室效应来看，炉渣、生物炭炭处理综合温室效应与对照相比显著降低(P＜0.05)，分别减少了51%和32%。

表3 不同处理方式下稻田甲烷和氧化亚氮的累积释放量及其温室效应

3 讨论

3.1 炉渣与生物炭添加对稻田甲烷产生潜力的影响

对照、炉渣、生物炭、炉渣+生物炭处理表现为土壤甲烷产生潜力随着培养时间的增加而不断降低，主要是因为随着培养时间的变化，土壤甲烷产生底物逐渐减少，稻田甲烷产生潜力逐渐降低有关［24］。秸秆添加处理表现为先增加后降低的趋势，这可能与秸秆添加后逐渐分解为土壤产甲烷菌提供了丰富的产甲烷基质在初期促进了甲烷产生［25］，但随后随着分解过程中碳输入的减少，甲烷产生潜力也逐渐降低。

本研究中，仅表现为炉渣施加能显著抑制甲烷的产生，这与其他研究指出的炉渣能有效抑制甲烷的产生相符合［6-8，26-27］。本实验选用的炉渣中，Fe2O3的含量为4.8%，可能主要是基于其中富含电子受体中贡献较大的Fe3+，相当于增加了土壤中的电子受体含量，这将会抑制甲烷的产生，主要是基于:①铁电子受体将底物的浓度降低到甲烷产生菌不能利用的程度［28］;②铁电子受体将氧化还原电位提高到了超过甲烷产生菌的适应范围［29-30］;③铁电子受体对甲烷产生菌的毒害作用［31］;④铁电子受体的还原菌组群与产甲烷菌竞争乙酸和电子供体［32］，即通过其相应的还原菌与甲烷产生菌之间竞争底物，提高环境中的氧化还原电位和毒害作用，从而抑制甲烷产生微生物的活性来完成。此外，新近的研究表明，铁可作为电子受体在厌氧环境下以甲烷作为电子受体，发生还原作用［33］，这与本实验Fe3+可能由于发生还原反应从而增加了Fe2+说明还原作用较强相符合。与此同时，炉渣是碱性物质，添加后可增加土壤中的pH，甲烷产生菌最适生境为中性环境，炉渣施加后较高的pH降低了产甲烷菌活性进而影响着甲烷产生［27］。

3.2 炉渣与生物炭添加对稻田氧化亚氮产生潜力的影响

炉渣、秸秆处理表现为土壤氧化亚氮产生潜力随着培养时间的增加而不断降低，但对照、生物炭、炉渣+生物炭添加处理则表现为先增加后降低的趋势，随着底物的减少，各处理氧化亚氮产生潜力降低。

本研究结果表明，炉渣的施加抑制了氧化亚氮的产生，这与其他研究相符合，且认为炉渣施加后pH增高是导致氧化亚氮产生降低的主要原因之一，较高的pH会导致硝化菌和反硝化菌难以生存或活性较低，土壤中硝化作用、反硝化作用及生物转化过程降低，从而抑制了稻田氧化亚氮的产生。生物炭同样可以抑制氧化亚氮的产生，可能是由于生物炭具有较大的比表面积，较强的的吸附作用，吸附气体分子、有机质和氮源等;秸秆处理下抑制了氧化亚氮的产生，可能是由于与秸秆的施加，提高了土壤的C/N比值，而微生物对土壤中C、N的利用有一定的比例范围，一旦C/N比值变大，势必引起微生物对N源的争夺利用，N素利用就比较充分，同时也减少了硝化、反硝化过程的中间产物 N2O 的生成［34］。

4 结论

(1)对于福州稻田土壤而言，在整个培养周期内，炉渣的添加可显著抑制甲烷的产生潜力，并降低其温室效应;

(2)生物炭、炉渣以及秸秆均能明显的抑制福州稻田土壤的氧化亚氮产生潜力，并降低其温室效应;

(3)从外源物质添加对福州稻田土壤温室气体产生潜力的综合效应来看，与对照相比，炉渣、生物炭的添加均显著的降低了稻田温室气体综合增温潜势。

结合本研究的研究结果，我们发现，炉渣单独添加可有效降低稻田土壤温室气体产生的综合增温潜势，生物炭与其制备原材料秸秆相比，具有较强的降低稻田土壤温室气体产生的综合温室效应的作用，但炉渣与生物炭混合添加的处理中，则并未显著减缓稻田土壤温室气体产生的综合温室效应。因此，在今后稻田管理中，不同添加物作为稻田温室气体减排剂的使用需慎重考虑。

致谢:本研究在野外采样和室内分析过程中得到福建师范大学地理科学学院杨柳明老师、彭园珍老师以及潘婷、曾冬萍、张礼宏等同学的帮助，在此一并表示感谢。

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