生物炭施用对节水灌溉稻田土壤N2O浓度剖面分布的影响

祁苏婷，杨士红,2，俞湾青

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；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)

农田是大气N2O排放的重要源，大量研究表明，淹水灌溉稻田土壤N2O排放很小[1,2]。面对日益严峻水资源紧缺现状，各种水稻节水灌溉技术得到大面积推广应用。但水稻节水灌溉的干湿交替过程促进了稻田N2O排放。徐华等[3]通过研究发现稻田土壤干湿交替时N2O排放通量较持续淹水时显著增大。控制灌溉稻田土壤脱水促进了N2O排放，而土壤复水减少了N2O排放，且N2O排放通量在脱水后3～6 d达到峰值[4]。与此同时，生物炭作为一种新型的肥料，研究表明，其在淹水稻田的施用可以减少N2O的排放[5]。但已有研究主要针对生物炭施用对淹水灌溉稻田N2O排放过程影响[6,7]，针对节水灌溉稻田土壤N2O产生与排放过程对生物炭响应的研究较少。

因此，本文以南方地区稻田为研究对象，采用田间试验与室内微电极实验相结合的研究方法，从稻田土壤N2O浓度剖面分布规律的角度分析生物炭施用对节水灌溉稻田N2O产生与排放的影响。为更加全面评价节水灌溉稻田的环境效应，实现稻田水土资源的可持续利用提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验基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。试验区属亚热带南部季风气候区，年降雨量为1 097.1 mm，年日照时数为2 085.9 h，年平均气温为15.5 ℃，年平均无霜期为234 d。土壤类型为潴育型黄泥土，稻田耕层土壤质地为重壤土，0～18 cm土层土壤全氮含量1.79 g/kg，有机质含量为21.71 g/kg，全磷含量为1.4 g/kg，全钾含量为20.86 g/kg，0～30 cm土壤容重为1.32 g/cm3。

1.2 试验设计

试验在排水式蒸渗仪(面积为2.5 m×2 m)中进行，试验中灌溉模式采用控制灌溉(C)和淹水灌溉(F)两种灌溉方式。对于控制灌溉(C)，水稻秸秆生物炭施用量设置3个水平：0 t/hm2(A)、20 t/hm2(B)和40 t/hm2(C)；常规灌溉(F)设置一个生物炭施用水平40 t/hm2(C)，总共4个处理(CA、CB、CC与FC)，每个处理设3次重复，共12个蒸渗仪。控制灌溉小区在返青期田面保留10～30 cm的水层，以后的生育期除满足施肥、除草等要求外稻田不再有水层，以根层土壤水分占饱和含水率60%～80%作为灌水控制指标[8]。淹水灌溉一直保留 3～5 cm的水层。水稻秸秆生物炭于2016年水稻移栽前一次性施入，基本性状如表1所示。试验水稻品种为南梗46，株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量为3～4株。水稻于2018年6月23日插秧，并于10月25日收割。2018年施肥量和施肥时间按照当地农民习惯进行。6月23日施用基肥，其中施氮量为187.95 kg/hm2、磷肥(P2O5) 63 kg/hm2、钾肥(K2O) 89.25 kg/hm2。蘖肥和穗肥分别在7月11日与8月6日施用，施氮量分别为69.3 kg/hm2与55.44 kg/hm2。在施用蘖肥及穗肥后每隔2 d共取了8次土样(分别为施用蘖肥后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d及施用穗肥后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d取土)，在每个蒸渗仪中采集土样，取样深度为表层以下0～20 cm，采集的土壤经混合、风干后进行微电极实验。

表1 试验中使用的生物炭的主要成分

1.3 室内微电极实验

本实验采用微电极技术测定土壤内部剖面N2O浓度。土样放置于内径3.5 cm，外径4.5 cm，高度6 cm的透明柱状体中进行实验，控灌处理将风干土壤水分调节到80%饱和含水率，淹灌处理土壤表层保持薄水层。N2O微电极型号为N2O-NP(丹麦，Unisense)。电极使用前按照Unisense公司提供的方法进行极化和校正，设置控制系统步长为1 500 μm、测定深度30 000 μm，测量时间12 s，等待时间12 s。构建实验系统，将土柱全部放入恒温箱培养，温度控制在28 ℃左右，预培养7 d使土柱稳定。每个处理取3个重复进行微界面数据分析及相应的N2O浓度测定。

2 结果与分析

2.1 蘖肥施用后稻田土壤N2O浓度剖面分布

蘖肥施用后，稻田土壤N2O浓度随剖面深度的变化结果如图1所示。以土气交界面为0 μm基准面，0 μm基准面以上深度为负值，0 μm基准面以下深度为正值。蘖肥施用后第4 d及第6 d，不同处理稻田土壤N2O浓度的剖面分布规律大致相同，均呈现出降低—增大—降低的趋势。这与Granli[9]等的研究结果一致。N2O是硝化反硝化作用的产物，土壤表层透气性较好，利于硝化反应的进行；底层土壤较好的厌氧条件利于反硝化反应的进行；中部区域土壤硝化、反硝化作用同时存在，导致N2O浓度最高。蘖肥施用后第2 d各处理土壤N2O浓度随剖面深度变化不大，这可能与培养初期土柱内土壤未完全稳定有关。蘖肥施用后第8 d各处理土壤N2O浓度随剖面深度呈逐渐增加的趋势，这可能与随着土壤水分消耗，上层土壤产生N2O浓度迅速排入空气中导致测量浓度较低有关。

蘖肥施用后，中量生物炭(20 t/hm2)的施用减小了稻田土壤剖面N2O浓度。从N2O浓度均值来看，蘖肥施用后几天CB处理N2O浓度均小于CA(如表2)；第2 d、第4 d、第6 d、第8 d CB处理N2O浓度均值较CA处理分别降低了26.0%、5.6%、1.4%、3.1%，但差异不显著。且蘖肥施用后CB处理稻田土壤剖面不同深度N2O浓度最大值也均小于CA；蘖肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d CB处理N2O浓度最大值较CA处理分别降低了25.0%、6.1%、87.2%、1.1%。蘖肥施用后第2 d、第4 d、第8 d，CC处理稻田土壤剖面N2O浓度均值均小于CA处理；CC处理N2O浓度均值较CA处理分别降低了13.6%、2.8%、2.8%，但差异不显著。但蘖肥施用后第6 d CC处理稻田土壤剖面N2O浓度均值高于CA处理，CC处理N2O浓度均值较CA处理增加了19.2%。这与Cayuela等的研究结果一致，高量生物炭促进土壤N2O产生与排放，本研究进一步发现高量生物炭中增加了施肥后某段时间土壤中N2O的浓度。从土壤剖面不同深度N2O浓度来看，蘖肥施用后，中量生物炭施用减小了节水灌溉稻田土壤剖面N2O浓度。高量生物炭施用增加了施肥后部分时段稻田土壤中N2O的浓度。

图1 蘖肥施用后生物炭对节水灌溉稻田土壤N2O浓度剖面分布的影响

表2 蘖肥施用后节水灌溉稻田土壤剖面N2O浓度均值 μmol/L

注：同一列N2O浓度均值后不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

蘖肥施用后各处理间N2O浓度最大值出现的深度也有所不同。蘖肥施用后第2 d CA处理与CC处理N2O浓度最大值均出现在深度为12 000 μm处，而CB处理N2O浓度最大值却出现在深度为30 000 μm处；但蘖肥施用后第8 d各处理浓度最大值均出现在深度为24 000～27 000 μm处。不同处理N2O浓度最大值出现深度的相差较大原因可能是不同生物炭施用量使得土壤通气条件不同。

2.2 穗肥施用后稻田土壤N2O浓度剖面分布

与蘖肥施用后相似，穗肥施用后第2 d各处理土壤N2O浓度随剖面深度变化不大，这可能与培养初期土柱内土壤未完全稳定有关。穗肥施用后第4 d、第6 d及第8 d各处理稻田土壤N2O浓度从土壤表层到下层呈现出降低—升高—降低的趋势。

从均值来看(如表3)，穗肥施用后第2 d、第4 d、第8 d CB处理N2O均值较CA处理分别增加了7.8%、16.0%、11.2%，差异显著(p<0.05)。但穗肥施用后第6 d CB处理N2O浓度均值较CA处理降低了3.5%，差异不显著。从最大值来看(如图2所示)，穗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d CB处理土壤各层N2O浓度最大值较CA处理分别增加了21.8%、16.6%、2.2%、27.4%。穗肥施用后第2 d、第6 d，CC处理N2O浓度均值及不同深度N2O浓度最大值均小于CA处理。但穗肥施用后第4 d、第8 d，CC处理N2O浓度均值及不同深度N2O浓度最大值均大于CA处理。总体来看，穗肥施用后中量生物炭(20 t/hm2)的施用增大了稻田土壤剖面N2O浓度。目前大部分研究表明生物炭对N2O排放有抑制作用，但也有部分研究[10]表明生物炭促进N2O排放，原因是生物炭施用增加了土壤N源或微生物活性。与蘖肥施用后结果一样，高量生物炭对稻田土壤剖面N2O浓度的影响在不同的培养时间结果不一致。

表3 穗肥施用后节水灌溉稻田土壤剖面N2O浓度均值 μmol/L

注：同一列N2O浓度均值后不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

图2 穗肥施用后生物炭对节水灌溉稻田土壤N2O浓度剖面分布影响

穗肥施用后各处理N2O浓度最大值出现的深度均在20 000～3 0000 μm处。

2.3 生物炭施用条件下灌溉模式对稻田土壤N2O浓度剖面分布的影响

不同灌溉模式下稻田水分状况显著影响了稻田土壤N2O浓度剖面分布(如图3)。蘖肥施用后第6 d、第8 d及穗肥施用后，淹水灌溉处理稻田土壤剖面N2O浓度最大值均大于控制灌溉处理(即FC>CC)。蘖肥施用后第6 d、第8 d FC处理N2O浓度最大值较CC处理分别增加了18.7%与32.7%；穗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d FC处理N2O浓度最大值较CC处理分别增加了50.9%、47.0%、59.6%与154.3%。除蘖肥施用后第2 d CC处理N2O浓度均值大于FC处理外，蘖肥施用后第4、6、8 d及穗肥施用后FC处理N2O浓度均值均大于CC处理且差异显著(p<0.05)。蘖肥施用后第4 d、第6 d、第8 d FC处理N2O浓度均值较CC分别增加了15.2%、8.0%与27.4%；穗肥施用后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d FC处理N2O浓度均值较CC处理分别增加了48.6%、56.0%、64.7%与118.4%。

已有针对稻田N2O排放的研究绝大部分都是采用气相色谱法测定N2O排放情况，没有反映N2O在地表以下土壤中的分布和扩散情况。而本文的研究主要针对土壤内部N2O浓度分布情况。侯爱新[11]等人的研究表明，土壤含水量较高的淹水期几乎没有N2O的排放。但本研究表明，淹水灌溉稻田土壤剖面N2O浓度要大于节水灌溉稻田。这主要与淹水条件下水分充满了土壤空隙，土壤内生成的N2O向大气排放过程中受阻，从而大大降低了排放到大气中N2O有关；而节水灌溉的干湿交替管理使稻田土壤存在较多孔隙，促进了土壤内部生成的N2O向大气排放的过程。孙志强[12]等在文章中也提到，当土壤中水分含量达到较高水平时，虽然营造了厌氧的环境促进了反硝化反应的进行，但由于水充满了土壤孔隙，土壤内生成的N2O在向大气排放过程中受阻。

表4 蘖肥施用后不同灌溉模式稻田土壤剖面N2O浓度均值 μmol/L

注：同一列N2O浓度均值后不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

表5 穗肥施用后不同灌溉模式稻田土壤剖面N2O浓度均值 μmol/L

注：同一列N2O浓度均值后不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

图3 蘖肥施用后不同灌溉模式对稻田土壤N2O浓度剖面分布的影响

图4 穗肥施用后不同灌溉模式对稻田土壤N2O浓度剖面分布的影响

3 结 论

(1)在施肥后大部分时段，各处理稻田土壤N2O浓度自表层至下层呈现降低—增加—降低的趋势，在施肥后初期或后期会有所不同。

(2)蘖肥施用后，中量生物炭施用减小了节水灌溉稻田土壤剖面N2O浓度，穗肥施用后则相反。高量生物炭施用增加了施肥后部分时段土壤剖面N2O浓度。

(3)淹水灌溉稻田不同深度土壤N2O浓度均显著高于控制灌溉稻田，而已有研究表明，节水灌溉会增加稻田N2O排放。这主要与淹水条件下水分充满了土壤空隙，土壤内生成的N2O在向大气排放过程中受阻，从而大大降低了N2O向大气中的排放有关；而节水灌溉的干湿交替管理使稻田土壤存在较多孔隙，促进了土壤内部生成的N2O向大气排放的过程。