江汉平原不同土地利用方式下稻季甲烷的排放

龚世飞，刘章勇，程 琳，陈 阜，金 涛

（1.长江大学农学院，湖北 荆州 434025；2.中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100083）



江汉平原不同土地利用方式下稻季甲烷的排放

龚世飞1，刘章勇1，程 琳1，陈 阜2，金 涛1

（1.长江大学农学院，湖北 荆州 434025；2.中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100083）

摘 要采用静态暗箱-气相色谱法，于2013年和2014年分别设计了旱田、水田、旱改水3种土地利用方式下稻季田间甲烷（CH4）排放监测试验。结果表明，温度和水分是不同土地利用方式下稻季CH4排放差异的主要影响因素，土壤硝态氮含量和pH对CH4排放具有重要影响。不同土地利用方式下，CH4排放差异主要集中于作物生长前期，水稻移栽至有效分蘖临界叶龄期 CH4累积排放量占全生育期排放总量的46%～90.5%。2013年和2014年水稻生长季不同土地利用方式下土壤排放的CH4总量均表现为水田＞旱改水＞旱田，分别依次为120.7、13.1、1.56 kg/mm2和156、22、17 kg/hm2。研究表明，水田利用方式下稻季CH4的平均排放速率和季节排放总量均显著高于旱田和旱改水，旱田和旱改水利用方式下差异不显著。

关键词：土地利用方式；水稻；CH4；江汉平原

自20世纪以来，全球气候变暖对人类造成的负面影响日趋明显，温室效应逐渐成为国内外学者广泛关注的热点问题。CH4是仅次于CO2的温室气体，其温室效应潜能是CO2的21～23倍，对温室效应的贡献率约占15%［1］。农田土壤是CH4的重要排放源［2］。据估计，由于农事操作和土地利用方式转变等一系列活动引起的CH4排放，占人类活动排放总量的47%，稻季农田CH4排放对年际净增温潜势影响巨大［3］，灌溉稻田CH4排放约占全球人为总排放的12%～26%［4］。有研究证实，稻田是CH4的重要排放源而旱地则是潜在的碳汇［5］。前人对农田温室气体排放作了大量研究工作，研究指出，除气候条件和土壤特性外，农业管理措施也是影响稻田CH4排放的重要因素［6-8］。

江汉平原地区夏季农业生产以水稻和棉花为主。近年来，由于农业结构的宏观调整，长江中下游地区的棉花种植面积呈现减少的态势，最新资料显示，2014年湖北省植棉面积同比下降23%。将传统植棉地改种效益更高的经济作物是一条增强农户积极性、保障农民收入的可靠途径。刘可群等［9］研究指出，近45年江汉平原的降雨量呈增加趋势。该地区地势较低且地下水位高的旱地常年发生涝渍灾害，将该地区旱地改为水田利用，既能发挥水资源充足的优势又能达到避灾减灾的目的。但夏季农田利用方式转变对农田生态系统中CH4排放特征的影响目前还不清楚。为此，本文通过田间试验研究江汉平原夏季旱地、水田和旱改水3种土地利用方式下CH4的排放特性，以期为我国农田温室气体排放的精确估算及合理减排措施的制定提供科学依据。

1　材料与方法

1.1 试验区概况

试验在湖北荆州（30°6′N，111°54′E）进行。该地属亚热带湿润季风气候，常年平均气温约16.5℃，积温6 228.4℃，高温集中在7～9月；年均降雨量1 100～1 300 mm，年均日照时数2 000 h，年太阳辐射总量约460～480 J/cm2；4～10月份的降雨和太阳辐射量分别占全年的80%和75%，无霜期250 d。该地为冲击性母质发育的水稻土，旱田、旱改水和水田土壤有机质含量分别为24.2、26.2、38.8 g/kg，pH分别为7.32、7.20和7.09。

1.2 试验设计

试验于2013、2014年在长江大学试验基地进行。设旱田、水田和旱改水，3种农田利用方式，每处理3次重复，小区面积60 m2。土壤耕作前，将前茬作物油菜秸秆（自然留茬约10 cm）全量还田。旱地采取垄作方式种植经济效益更高的西瓜世纪甜王；水田和旱改水田均种植优质鄂审稻D优33，5月10日播种，6月10 日移栽（移栽规格为行距26.5 cm、株距17 cm，每穴2株），9月25日收获。田间管理措施同当地高产大田：氮肥（尿素）、磷肥（过磷酸钙）、钾肥（氯化钾）用量分别为N 230 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 130 kg/ hm2；氮肥按基肥：分蘖肥∶拔节肥∶穗肥为4∶3∶2∶1施用，磷肥一次性基施，钾肥作基肥和拔节肥每次施用50%。水稻生长期间水分管理采用前期灌水、中期晒田、后期干湿交替的管理模式。

1.3 样品采集与分析

分别于4～10月采用密闭式静态暗箱—气相色谱法测定田间CH4排放速率。气体采样箱由底座、顶盖和中箱组成，采样箱为铝制圆柱状，箱底直径为46 cm，箱体高度随水稻高度而增加（拔节前0.5 m、拔节后1 m），采样箱外部包有海绵和铝箔纸，防止太阳照射导致箱内温度变化过大。采样箱底座上部有水槽，底座在试验前期插入土中约15 cm。观测频率为每周2次，烤田期每周3次，时间均为8：00～11：00。采集气样时，将采样箱垂直安放在底座3 cm深的凹槽内并加水密封，扣箱后立即用60 mL注射器采集样品，然后分别在扣箱6、20 min采集样品。为防止人为扰动造成的误差，在田间搭设栈桥通往各试验小区中央的箱体底座。气体排放通量计算公式如下：

F= ρ×h×dc/dt×273/（273+T）

式中，F为气体排放通量（mg/m2·h），ρ为标准状态下气体的密度（kg/m3），h是采样箱的净高度（m），dc/dt为单位时间内采样箱内气体的浓度变化量，273为气态方程常数，T为采样过程中密闭箱内的平均温度（oC）。

田间采集气样时，同步记录地表温度及土温（5、10 cm），并采集样点5～15 cm深土壤进行相应指标（含水量、pH、土壤中硝态氮、铵态氮含量）的测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和DPS 7.5软件进行试验数据分析，采用LSD法分析数据间的差异显著性。CH4排放通量用平均值及标准偏差来表示，季节平均排放通量是观测值按时间间隔加权平均后再平均。

2　结果与分析

2.1 不同土地利用方式下夏季田间CH4排放特征

不同土地利用方式下作物生长期间CH4排放通量均呈现明显的季节变化（图1）。2013、2014年各处理在水稻生长季CH4排放通量分别为-0.556～22.67 mg/m2·h、-0.07～18.6 mg/m2·h。旱改水土壤在作物全生育期内始终维持低水平的CH4排放速率，无明显排放峰值。旱田土壤维持微弱的CH4排放，甚至表现出CH4的汇，但在2014年作物生长初期形成明显的排放峰，其最大排放通量为7.88 mg/m2·h，主要是由于2014年6月初的强降水所致。水田土壤CH4排放通量明显高于其他处理，且其排放峰均集中于作物生长前期。两年试验结果均表明，水田在水稻移栽后25 d左右出现最大排放峰，2013、2014年的最大排放通量分别为22.67、18.6 mg/m2·h。在水稻生长中期采用烤田措施后，CH4排放通量急剧下降，即使烤田后再复水，其CH4排放通量有所增加，但依然维持较低水平直至作物收获。不同土地利用方式下夏季作物生长季CH4平均排放通量的大小顺序表现为水田＞旱改水＞旱田，2013、2014年的平均排放通量分别为19.3、2.5、0.23 mg/m2·h和8.9、0.66、0.58 mg/m2·h。

2.2 不同土地利用方式对夏季农田CH4累积排放量的影响

为进一步比较分析不同土地利用方式下CH4排放差异的来源，明确土地利用方式对农田CH4排放的影响，将CH4季节排放按照水稻全生育期（本田生长期）划分为3个阶段（图2）：移栽至有效分蘖临界叶龄期、有效分蘖临界叶龄期至抽穗期、抽穗期至成熟期。结果显示，作物生长季各阶段CH4的累积排放量均以水田利用方式最大，旱田土壤排放量最小。2013和2014年移栽至有效分蘖临界叶龄期间水田土壤CH4的累积排放分别为73.07、134.7 kg/hm2，显著高于其他土地利用方式下的累积排放；该阶段旱田和旱改水的CH4累积排放量分别为0.86、15.39、6.01、13.89 kg/hm2。此外，随着作物生育时期的推进，田间CH4累积排放量均呈递减趋势，旱田、旱改水和水田3种土地利用方式下作物生育前期CH4的累积排放量占作物全生育期内排放总量的46%～90.5%（图2）。

图1　不同土地利用方式下2013年（A）和2014年（B）稻季CH4排放通量的季节变化

图2　不同土地利用方式下2013年（A）和2014年（B）水稻不同生育阶段CH4的累积排放量

2013、2014年水田、旱改水和旱地CH4的排放总量依次为120.7、13.1、1.6 kg/hm2和156.0、22.0、17.0 kg/hm2。不同土地利用方式下稻季CH4累积排放存在显著差异，其中水田土壤的CH4排放总量显著高于其他处理，而旱改水和旱田的CH4累积排放量差异不明显。

2.3 影响农田温室气体排放主要指标的因子分析

3种不同土地利用方式下农田温室气体排放的因子分析的特征向量、特征值和方差累积贡献率见表1。依据方差累积贡献率≥85%的要求，选取土壤pH、土壤铵态氮含量、土壤硝态氮含量、5 cm土温、10 cm土温、地表温度、土壤含水量等7个与温室气体排放通量关系密切的指标进行因子分析，取前m个因子作为因子变量。由表1可知，前4个影响CH4排放主因子代替原来7个因子的累积贡献率达到90.667%，因此取前4个主因子做因子载荷分析。

对表2分析得出，在影响CH4排放的7个因子中，在第一主因子上载荷较大的主效因子是5 cm土温。5 cm土温与10 cm土温和地表温度呈极显著正相关，相关系数分别为0.99和0.76，因此，5 cm土温可以相对全面的体现出温度对CH4排放的影响。土壤含水量对第二主因子贡献较大，可以在一定程度上表征出土壤气相通透性与氧化还原环境对CH4排放的影响。对于第三主因子，土壤中硝态氮含量贡献突出，反映土壤氧化能力、有机质含量与CH4生成的关系。土壤pH是影响CH4产生菌生存的重要环境要素，与CH4的产生密切相关，在第四主因子上有较大载荷。

表1　单位特征向量、 特征值和方差累计贡献率

表2　因子载荷阵方差最大旋转结果

3　结论与讨论

水田和旱改水的CH4排放主要集中在水稻生长前期，中后期排放速率逐渐降低直至水稻收获；而旱地CH4排放无明显季节性变化特征。研究表明，农田土壤 CH4排放与田间水分管理和施肥等耕作管理措施有关［10-11］。前茬油菜秸秆原位还田提高了土壤中活性有机质含量，增强了微生物的活性［12-13］，可能是造成水稻生长季节CH4排放呈先升高后降低趋势的主要原因。旱田由于具有较好的通气条件，利于土壤CH4氧化菌的活性，在作物生长后期表现为CH4的微排放或汇。

不同农田利用方式对CH4的季节排放通量和排放总量均有显著影响。其中以水田排放总量最高，显著大于其他土地利用方式，而旱田和旱改水的CH4季节排放和排放总量之间差异均不显著。秦晓波等［14］、Yamulki等［15］的研究结论也证实，田间淹水深度与稻田CH4排放通量呈显著正相关。水田土壤中有机质含量远高于旱田和旱改水土壤，且持续维持厌氧环境，是导致其CH4排放速率更高的重要原因。旱地改做水田利用后，其CH4排放通量略有增加，但差异并不显著，可能是由于短时间尺度下土壤剖面结构变异较小，尚未形成具有类似水田犁底层结构和功能的土壤层，相对水田其保水性较差，土壤通透性较好；同时，利于土壤产甲烷菌产生和活动的环境尚不完善也可能是造成旱田和旱改水间差异不明显的重要原因。

江汉平原地区夏季农田CH4产生和排放的主要影响因素为温度和土壤含水量。作为微生物活动的敏感性影响因子，温度变化对土壤有机质的分解和产甲烷菌的活性具有直接影响。土壤水分含量是CH4氧化菌和生成菌活动强度的重要影响因素，厌氧环境是CH4产生的前提条件，稻田土壤水分含量是能解释当时CH4氧化变化的重要参数［16］。土壤硝态氮的含量一定程度上反映土壤氧化还原强度对CH4释放的作用。而土壤pH的变化可直接影响土壤微生物的生存能力，从而间接作用于CH4的产生和排放速率。综上，与旱地相比，旱改水在短期内并不增加CH4排放，其长时间尺度下向传统水田过渡、转变的机制有待更深入的探讨。

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（责任编辑白雪娜）

Methane emission under different land use patterns during rice growth season in Jianghan Plain

GONG Shi-fei1，LIU Zhang-yong1，CHENG Lin1，CHEN Fu2，JIN Tao1（1.College of Agriculture，Yangtze University，Jingzhou 434025，China；2.College of Agriculture and Biotechnology，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Abstract：A field experiment was conducted to measure CH4emission by static chamber/gas chromatographic technique in three land use patterns，including upland（T1），paddy field（T2）and conversion of upland to paddy field（T3）during 2013 and 2014.The results showed that the key factors on CH4emission under different land use patterns during rice growth season were temperature and soil moisture；the soil nitrate content and pH also contributed a lot for the CH4emission.The peak CH4flux and emission differences of three land use patterns were observed during the early stage of rice growth.CH4cumulative emission from transplanting to the critical stage of productive tillering accounted for 46%-90.59% of the total emission during the rice growth season.The total CH4emission during rice growth under different land use patterns in 2013 and 2014 were similarly in sequence of T2＞T3＞T1，with respective means of 120.7，13.1，1.56 kg/hm2and 156，22，17 kg/hm2.The results indicated that the average flux rate and total emission of CH4under T2 during rice growth season were significantly higher than those under T1 and T3，while there was no significant difference between T3 and T1.

Key words：land use pattern；rice；CH4；Jianghan Plain

中图分类号：S181

文献标识码：A

文章编号：1004-874X（2016）01-0084-05

收稿日期：2015-09-10

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201203032）；国家自然科学基金（32170488）

作者简介：龚世飞（1990-），男，在读硕士生，E-mail：gongsfsf@163.com

通讯作者：金涛（1979-），男，博士，讲师，E-mail：jintao19790512@hotmail.com