生物炭施用对节水灌溉稻田甲烷排放的影响

肖亚楠，杨士红,2，刘晓静，徐俊增,2

(1河海大学水利水电学院，南京 2100981；2河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098)

0 引 言

由温室气体导致的气候变暖已经成为全球关注的焦点问题。作为大气中重要的温室气体之一，CH4对温室效应的贡献仅次于CO2，且其全球增温潜势是CO2的28倍[1]。大量研究表明大气中的甲烷有近50%来自于农业活动[2]。稻田是大气CH4的重要排放源[3-7]。中国作为水稻种植大国，水稻种植面积约占世界水稻种植总面积的20%，水稻产量则约占世界水稻总产量的31%[7]。因此，准确评价中国稻田甲烷排放，并提出有效的减排措施具有重要意义。

生物炭是生物有机质材料(作物秸秆、农林废弃物、生活垃圾、养殖业废弃物等有机资源) 在缺氧或无氧条件下经高温裂解(一般<700 ℃)而产生的一种性质稳定、富含碳素(C%≥60%)、具有不同程度芳香化的固态物质[8-11]。由于其具有固碳、吸附、持水、减小土壤容重、改善酸性土壤、提高作物产量等多种特性而越来越受到人们的关注[12-15]。目前，关于生物炭对稻田CH4排放影响的研究已有很多[13, 14, 16-18]，且大部分研究表明，生物炭施用对淹水灌溉稻田CH4有减排作用。在农业水资源日益紧缺的形势下，各种水稻节水灌溉技术已经得到了大面积的推广应用，且节水灌溉能够显著降低稻田CH4排放[4, 19-23]。节水灌溉的水分管理模式改变了稻田土壤环境效应，这势必会影响生物炭施用对稻田CH4的减排效应。因此，生物炭施用对节水灌溉稻田甲烷排放的影响有待深入研究。本文基于田间试验，研究了不同生物炭施用量条件下节水灌溉稻田CH4排放通量及排放量变化规律，分析了生物炭施用对节水灌溉水稻产量及灌溉水分生产率的影响。旨在更加全面评价节水灌溉稻田的环境效应，同时为实现稻田水土资源的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验地位于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地(34°63′ 21″ N ，121°05′22″ E)。试区属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸发量1 365.9 mm，日照时数2 085.9 h，平均无霜期234 d。当地习惯稻麦轮作，土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤质地为重壤土，0～18 cm土层土壤有机质21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全钾20.86 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤容重1.32 g/cm3。

1.2 试验方法

试验在无水层控制灌溉(C)条件下设置3个小麦秸秆生物炭施用水平，分别为对照0 t/hm2(A)、中等生物炭施用量20 t/hm2(B)和高生物炭施用量40 t/hm2(C)，共3个处理，每个处理设置3个重复。试验在蒸渗仪中进行，每个蒸渗仪面积为5 m2(2.5 m×2 m)。控制灌溉处理在返青期田面保留10～30 mm薄水层，以后的各个生育期灌溉后稻田不建立水层，以根层土壤水分占饱和含水率60%～80%的组合为灌水控制指标[24]。试验水稻品种为南粳46，株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量为3～4株。2016年6月30日插秧，11月3日收割。施肥量和施肥时间按照当地农民习惯进行(如表1)。

1.3 气体采样及分析

试验采用静态箱原位采集气样[23, 25]，箱体用厚5 mm的PVC材料制成，包括中断箱和顶箱2部分，高各为60 cm，底面积均为50 cm× 50 cm。中段箱顶部有密封用水槽，用于水稻生长后期加层。箱外包一层铝箔，以减小采样期间由于太阳辐射引起的箱内温度变化。顶箱顶部封闭，并打孔安装温度探头(HOBO UX100-011)，箱侧面接出采气管线，采气管箱内外分别长约30 cm和1.5 m，箱外与带有三通阀的60 mL塑料针筒相连。水稻插秧后第2日开始采集气样，每隔5 d采样1次，施肥后加测，隔天取样，取4次，取样频率为(施肥后第2、4、6、8天)，9月份以后取样间隔为1周，取样时间均为上午10∶00-11∶00，每隔10 min取一次气，共取4次。气体样品采用Tedlar气体采样袋存储、运输，3天内用Agilent 7890A气相色谱仪(安捷伦科技有限公司)分析CH4浓度。CH4排放通量按照公式(1)计算，对水稻全生育期CH4排放通量进行内插积分求和，即为水稻全生育期CH4排放总量。

表1 施肥时期及施肥量Tab.1 Time and amount of fertilization

(1)

式中：F为气体排放通量，mg/(m2· h)；ρ为标准状态下CH4的密度，其值为0.714 kg/m3；h为箱顶至田表水层的高度，m；T为取样箱内平均气温，℃；dC/dt为箱内CH4浓度随时间的变化率，mg/(m3· h)，由每组4个气样浓度值与对应的抽样时刻0、10、20、30 min拟合直线的斜率决定。

1.4 其他观测项目

在每个小区布置HOBO土壤水分、温度自动测量系统，自动监测稻田土壤水分与温度(0.5 h一次)变化，田间有水层时通过预埋在田面的砖块和竖尺读取水层深度，根据土壤水分及田间水层变化确定是否灌水。采用水表测量灌溉水量。在水稻成熟后测定水稻产量。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用对节水灌溉稻田CH4排放通量的影响

不同生物炭施用量条件下，节水灌溉稻田CH4排放规律基本一致(图1)。在整个生育期内，CH4排放主要集中在生育前期(DAT=40 d之前，DAT：date after transplantation)，CH4排放的两个主要峰值均出现在这个阶段。40DAT以后CH4排放一直处于较低状态，虽仍有3次排放峰出现，但峰值远小于前两次峰值。并且生育期内3次施肥除基肥外，2次追肥(蘖肥、穗肥)均引起了CH4排放高峰。

注：图中箭头分别表示施用基肥、蘖肥、穗肥图1 不同生物炭施用量下节水灌溉稻田CH4排放通量动态变化Fig.1 Variation of CH4fluxes from paddy fields under saving-irrigation with different applications amount of biochar

从不同生物炭施用量对节水灌溉稻田CH4排放的影响来看，在20DAT之前，施用生物炭稻田CH4排放通量在大部分时段均大于对照处理，且高量生物炭施用量增加效果更加明显。在这个时段，CA、CB与CC稻田CH4排放通量的均值分别为1.52、2.20、6.67 mg/(m2·h)，CB处理较CA处理增加30.9%，而CC处理则是CA处理的4.3倍。20DAT之后则相反，施用生物炭稻田CH4排放通量在大部分时段均要小于对照稻田。20DAT直到生育期末，CA、CB与CC稻田CH4排放通量的均值分别为3.63、2.02和2.22 mg/(m2·h)，CB与CC处理分别较CA处理降低44.4%与38.8%。

稻田两次主要排放峰值均出现在水稻分蘖中期之前。CB、CC处理第一个CH4主要排放峰出现在蘖肥施用后的第4天[两者峰值分别为7.08、24.73 mg/(m2·h)]，CA处理则出现在第6天[16.67 mg/(m2·h)]。三者第二个CH4主要排放峰在水稻移栽后第35天同时达到，CB、CC处理第二个CH4主要排放峰值分别为11.63、8.53 mg/(m2·h)，分别较CA处理[18.71 mg/(m2·h)]低37.8% 与54.4%。

本研究与已有研究结果基本一致[13, 26]，生物炭施用在水稻生长前期促进了稻田甲烷排放，而在后期大部分时段均降低了甲烷排放。生物炭施入土壤后，可以提高稻田土壤有机质的含量，尤其在水稻生育前期[27]，这为产甲烷菌提供了丰富的底物[9]，从而促进了水稻生育前期CH4的排放。在水稻生长后期，由于生物炭的施用会增加土壤的通气性和孔隙度，从而提高甲烷氧化菌的活性[28]，增强土壤的氧化能力[29]，再加上其本身的吸附作用，这都会在一定程度上抑制CH4的排放。此外，生物炭的添加可以提高土壤的pH值，从而影响产甲烷菌的活性[18]，这可能会对CH4的产生有一定的抑制作用。

本研究结果中甲烷排放通量范围为0.15～24.73 mg/(m2·h)，这较侯会静[19]的结果相比偏大，这主要与本试验田于2014年施用了有机肥有关，而有机肥施用能够促进稻田甲烷排放[30-32]。

2.2 CH4累积排放量

图2为不同处理稻田CH4累积排放量的变化。在40DAT之前，稻田CH4排放累积量增长较快，之后增长速度变缓，且各处理稻田CH4累积排放量可用公式y=aln(x)+b进行拟合。在水稻整个生育期内CB处理稻田CH4累积排放量均要小于其他两种处理。在移栽后70 d之前，CC处理CH4累积排放量大于CA处理，70DAT之后小于CA处理。这与高量生物炭施用量明显增大了稻田前期CH4排放，而降低了后期CH4排放有关。从水稻整个生育期来看，三种处理稻田水稻全生育期CH4累积排放量分别为7.56、5.31、7.08 g/m2(CA、CB、CC)，CB与CC处理分别较CA处理降低了29.8% 与6.3%。由此可以看出，生物炭施用能够降低稻田CH4排放量，且减排效果随着生物炭施用量的增加呈现先增加后降低的现象。本试验中，中等生物炭施用量对节水灌溉稻田甲烷排放的抑制效果最为明显，这与Xu等[33]、Liu等[34]的结论基本一致。

图2 不同处理稻田CH4累积排放量Fig.2 CH4cumulativeemissions from paddy fields with different treatments

2.3 生物炭施用对节水灌溉水稻产量及灌溉水分生产率的影响

对于不同的农田管理模式，作物产量始终是评判其能否推广利用的重要指标之一。大量研究表明，生物炭施用对作物具有增产功效[14, 35-37]，也有部分高量生物炭施用会降低作物产量甚至减产[38, 39]。在本试验中，CB、CC处理水稻产量分别为8 070 kg/hm21与8 550 kg/hm2，分别较CA(7 380 kg/hm2)处理提高了9.3%与15.9%(表2)。同时，生物炭施用均提高了灌溉水分生产率，CB、CC稻田灌溉水分生产率分别较CA稻田提高了15.1%与19.0%。

表2 不同处理水稻产量及灌溉水分生产率Tab.2 Rice yields and irrigation water productivity

生物炭的添加可以增加土壤有机质的含量[40]，提高耕作土壤中的营养元素总量和作物可利用态含量[11]，其具有的吸附特性可以减少土壤营养元素的淋失[38]，这都会对提升土壤肥力产生积极影响，从而提高作物产量。

3 讨 论

目前，关于生物炭对CH4排放影响的研究已有很多，但不同研究结果之间存在差异。秦晓波等[12]在广东省惠州市农业科学研究所国家水稻品种区试验田的研究表明，相对于对照处理，施用生物炭(5、10、20 t/hm2)均对CH4的排放产生了抑制作用。 Kang等[41]针对韩国稻田的研究表明，施用生物炭减少了稻田CH4的排放。郭艳亮等[9]、李松等[13]所做试验也均表明生物炭施用对稻田CH4排放有抑制作用，并分析其原因可能是生物炭改善了土壤的通气状况，破坏了厌氧环境，降低了产甲烷菌的活性，提高了甲烷氧化菌的活性。与此同时， Zhang等[26]在江苏宜兴的研究结果表明，生物炭的施用增加了稻田CH4排放。贾俊香等[42]、Castaldi等[43]的研究结果也均表明了生物炭对CH4排放不同程度的促进作用，原因可能是生物炭的添加为产甲烷菌提供了丰富的基质。在本试验中，不同的生物炭添加量(20与40 t/hm2)均对节水灌溉稻田CH4排放有抑制作用。相较不施用生物炭处理，中量及高量生物炭施用的节水灌溉稻田CH4排放量分别减少了29.8%与6.3%，中量生物炭施用对节水灌溉稻田CH4的减排作用更大。CH4的产生与排放受多种因素的影响，气候、土壤类型、水分管理方式、生物炭原材料及制备条件、生物炭添加量等[13, 14, 27]，不同的试验条件可能是导致生物炭施用对稻田CH4排放影响的研究结果不同的原因。

4 结 语

(1)在水稻移栽后20d之前，施用生物炭增加了节水灌溉稻田CH4排放通量，且高量生物炭施用量稻田的增加效果更明显，在这个时段内，中量生物炭处理稻田CH4平均排放通量较对照处理稻田增加30.9%，而高量生物炭处理稻田CH4平均排放通量则是对照处理稻田的4.3倍。水稻移栽20d之后生物炭施用均降低了节水灌溉稻田CH4排放通量，20DAT直到生育期末，中量与高量生物炭施用处理稻田CH4平均排放通量分别较对照处理稻田降低44.4%与38.8%。

(2)生物炭施用能够降低节水灌溉稻田CH4累积排放量，中量生物炭施用量对稻田CH4的减排效果更显著；生物炭施用节水灌溉稻田CH4排放累积过程均可用对数函数进行拟合。中量与高量生物炭施用稻田水稻全生育期CH4累积排放量分别较对照处理稻田降低29.8%与6.3%。

(3)节水灌溉稻田施用生物炭在节水的同时，提高了水稻产量与灌溉水分生产率。中量与高量生物炭施用稻田水稻产量分别较对照处理提高了9.3%与15.9%，灌溉水分生产率分别增加了15.1%与19.0%.

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