利用节水抗旱稻协同减排温室气体和面源污染效果研究

孙会峰,周 胜,张继宁,张鲜鲜,王 从

(上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海201403;上海低碳农业工程技术研究中心,上海201415)

根据联合国政府间气候变化专门委员会报告,2011 年全球大气中CH4和N2O 年平均浓度已达到1 803 μg∕L和324 μg∕L,较工业革命前(722 μg∕L 和270 μg∕L)分别提高增加150%和20%[1]。 稻田过度灌溉使土壤表面较长时间处于淹水状态,氧化还原电位较低,会促进CH4的产生和排放[2],但N2O 排放较少,这是因为其作为土壤反硝化过程的副产物会被进一步还原为N2[3]。 如遇到较强降雨或者不合理的人工排水(特别是施肥后),大量的N∕P 养分会随径流水进入并污染自然水体[4-5]。 中期烤田是稻田常规的水分管理方式,一方面能促进氧气进入水稻根际圈及新根的生成;另一方面还能改变土壤氧化还原状况,减少厌氧条件下产生的H2S 对根系的毒害。 但中期烤田会使稻田土壤由厌氧状态变为有氧状态,极大地抑制CH4的产生[6],且该过程引起的干湿交替可刺激硝化∕反硝化细菌的活性,促进N2O 的产生和排放[7]。

干旱是农作物生产的重要限制因素之一,严重影响农作物产量和质量[8]。 近些年来,极端天气(如高温、少雨)频繁发生,如果淡水资源缺乏或灌溉不及时,往往会影响水稻生长,导致水稻减产[9-10]。 为保证水稻的安全生产和淡水资源的合理使用,节水灌溉措施被应用到水稻生产过程中,如让土壤水分保持饱和的湿润灌溉、让土壤处于干湿交替的灌溉等,这些措施可有效减少灌溉量,但有一定程度的水稻减产风险[11],然而,也有研究表明节水灌溉措施可提高水稻产量[12],减少CH4排放,增加N2O 排放[13-14],提高水资源的利用率并减少TN∕TP 的径流损失量[15],减轻对自然水体的污染。 节水抗旱稻是上海市农业生物基因中心开发的系列品种,兼具水稻和旱稻的特性,可在保证高产稳产的基础上达到节水和抗旱的双重目的[16]。 前期研究表明,节水30%灌溉可减少30%—53%CH4排放,节水70%灌溉可减少51%—77%CH4排放[17]。 在此基础上,本研究用‘沪旱61’(节水抗旱稻)和‘秀水134’(普通水稻,作为对照)作为试验对象,采取常规灌溉和节水灌溉处理,研究节水灌溉对节水抗旱稻的CH4和N2O 排放量以及TN∕TP 径流损失量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点及土壤基本性质

试验地点位于上海市农业科学院庄行综合试验站(30°53′N,121°23′E)。 该地点处于长江下游地区,属于北亚热带季风气候,年平均气温16 ℃左右,年平均降水量1 200 mm 左右,其中约60%的雨量集中在5—9 月的汛期。 试验时间为2017 年5—10 月,大气日均温变化范围为17.4—33.2 ℃(平均26.4 ℃),降雨分布相对分散,总降水量为612 mm(图1)。 试验地区的耕作层土壤深度约为15 cm,其基本理化性质为:有机质23.7 g∕kg,全氮1.4 g∕kg,碱解氮105.5 mg∕kg,土壤容重1.4 g∕cm,pH 7.6。

1.2 供试品种、试验设计及田间栽培管理

‘沪旱61’为节水抗旱稻,‘秀水134’(普通水稻)作为对照。 所有供试品种于4 月25 日进行浸种、催芽,4 月30 日播种于育苗盘育苗,5 月23 日将育苗盘中的幼苗转移到田间苗圃进行二次育秧,6 月19 日将苗圃中的幼苗人工移栽到试验小区内。 小区株、行距分别为20 cm、25 cm,每穴种植2 株。 每个试验小区的面积为60 m2。 用插入土壤表面以下1.1 m 的土工膜浇筑水泥埂进行隔离,防止小区间串水串肥。

试验采用常规灌溉和节水灌溉两种灌溉方式。 常规灌溉处理中,除中期烤田(水稻移栽后34—44 d)和水稻收获前的排水搁田外,其余时间的稻田土壤表面均存在水层。 而节水灌溉处理中,只在前期为保证秧苗成活、中期烤田后复水施肥及抽穗开花期进行灌溉,其总灌溉量为常规灌溉处理的24%。 具体灌溉次数及总灌溉量见表1。

表1 稻季不同试验处理的灌溉次数和总灌溉量Table 1 Irrigation times and amounts from different treatments in the rice growing season

试验采用双因素随机区组设计,每个处理3 次重复,共计12 个小区。 氮磷钾的施用量为200 kg∕hm2、100 kg∕hm2、225 kg∕hm2。 氮肥按5∶3∶2的比例作为基肥、蘖肥和穗肥施入;磷肥作为基肥一次性施入;钾肥施用量的44%以基肥施入,56%以穗肥施入。 各小区杀虫剂等农药的使用保持一致,人工拔草。

1.3 监测项目

1.3.1 温室气体采集及测定

采用静态密闭有机玻璃箱和自主研发的气体自动采样装置进行气体样品的采集,CH4和N2O 浓度分析测定由气相色谱搭载气体自动进样装置完成,具体方法见Sun 等[13]。 CH4或N2O 的排放通量通过对同一个采气箱所获得的4 个气体样品的CH4或N2O 浓度进行线性回归获得,累加得到累积排放量。 稻田的温室气体排放强度是以产量为基础、表征生产过程中所有温室气体排放能力的综合性指标。

式中,TCO2-eq表示温室气体排放强度,kg CO2-eq∕t;TCH4和TN2O分别表示CH4和N2O 的累积排放量,kg CH4∕hm2及kg N2O∕hm2;RY表示稻谷标准产量,t∕hm2;28 和265 分别表示在100 年的时间尺度内,CH4和N2O 的增温潜势是CO2的28 和265 倍[1]。

1.3.2 灌溉量、径流量及径流水中TN∕TP 的测定

径流水中的TN 浓度采用总有机碳∕总氮分析仪(岛津TOC-L,日本)进行测定;TP 浓度采用钼酸铵分光光度法进行测定。

1.3.3 稻谷产量测定

利用小型脱粒机进行人工脱粒,并进行晾晒、去杂。 取少量稻谷进行烘干并计算标准产量。

RY=DW∕(1 -14.5%)

式中,RY表示稻谷标准产量,t∕hm2;DW表示稻谷烘干重量,t∕hm2;14.5%表示粳型稻类品种的适合仓库存储的标准含水量。

1.4 统计方法

采用SPSS 20.0 软件中One-way ANOVA 的LSD 检验方法对不同处理的产量、CH4和N2O 累积排放量及温室气体排放强度之间进行多重比较。 采用Microsoft Excel 2013 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 稻季土壤表面水层深度的变化规律

常规灌溉处理稻田基本处于淹水状态(中期烤田和收获前排水落干阶段除外),其土壤表面水层深度为1.3—6.2 cm(图2a);‘沪旱61’的季平均土壤表面水层深度为3.3 cm,略高于‘秀水134’(3.0 cm)。节水灌溉处理稻田仅在水稻生长前期为保证秧苗成活及中期(水稻移栽后60 d 左右)由于自然降雨而形成一定的水层外,大多数日期内土壤表面水层深度为零(图2a);‘沪旱61’和‘秀水134’的季平均土壤表面水层深度均为0.2 cm。

2.2 稻季CH4 排放通量的变化规律

‘沪旱61’和‘秀水134’在常规灌溉处理下的CH4排放通量季节变化规律基本一致。 从稻季开始至中期烤田开始前,常规灌溉处理的CH4排放通量呈持续增加的趋势。 可能的原因主要有两个:土壤表面的淹水环境为甲烷菌提供了良好的厌氧还原条件;逐步上升的大气温度使土壤温度提高,刺激产甲烷菌的活性。 在中期烤田初期(水稻移栽后35 d),CH4排放达到最大值,这可能是之前淹水状态产生并累积的CH4在稻田土壤表面水层消失后集中释放的结果。 到了中后期,土壤表面水层的消失、O2的介入抑制产甲烷菌的活性但刺激甲烷氧化菌的活性,从而导致该阶段CH4排放通量几乎为零。 随着中期烤田结束、稻田复水,CH4排放通量先缓慢增加,在孕穗后期∕抽穗期出现CH4的较小排放峰值,这与此时水稻较大的根系生物量及较多的根系分泌物刺激产甲烷菌产生更多的CH4有关。 而后,随着大气温度和土壤表面水层深度的降低逐渐降低至零(图1 和图2a,b)。

‘沪旱61’和‘秀水134’在节水灌溉处理下的CH4排放通量季节变化规律也大体一致。 从稻季开始至中期烤田前,节水灌溉处理的CH4排放通量呈先增加后减少的趋势(图2b)。 水稻移栽后14 d 出现一个较大的排放峰值,可能是稻田土壤表面水层消失致使前期累积的CH4集中释放的结果。 从中期烤田阶段开始至稻季结束,稻田土壤表面几乎没有水层(图2a),不能保证土壤的淹水厌氧状态,不利于CH4的产生和排放,因此,CH4排放通量维持在零附近。

2.3 稻季N2O 排放通量的变化规律

‘沪旱61’和‘秀水134’在常规或节水灌溉处理下的季节变化规律基本一致。

常规灌溉处理的N2O 排放主要发生在中期烤田阶段,该阶段土壤湿度变动可能会加剧硝化∕反硝化作用,从而导致N2O 的大量排放。 其他时间内土壤多处于淹水厌氧状态,氮素可能会通过反硝化作用被还原成氮气,因而N2O 排放通量几乎为零。

节水灌溉处理的N2O 排放主要发生在水稻移栽后14—22 d 和45—57 d(图2c),前者是由稻季土壤表面水层的消失导致土壤湿度变动,从而加剧硝化∕反硝化作用引起的;后者则与氮肥的追施有关。 其他时间土壤环境不利于硝化∕反硝化作用,N2O 的排放通量接近于零。

2.4 稻谷产量与温室气体累积排放量

常规或节水灌溉处理中,‘沪旱61’和‘秀水134’的稻谷产量间并没有显著差异(表2)。 但是节水灌溉处理的稻谷产量比常规灌溉处理显著降低12%—17%(P＜0.05),其中‘沪旱61’的减产幅度(12%)低于‘秀水134’(17%)。 ‘沪旱61’和‘秀水134’在节水灌溉处理的CH4累积排放量较常规灌溉处理分别降低89%和67%;‘沪旱61’的CH4累积排放量在常规和节水灌溉处理较‘秀水134’分别减少14%和72%。 ‘沪旱61’和‘秀水134’在节水灌溉处理的N2O 累积排放量较常规灌溉处理则分别提高37%和186%;常规灌溉处理中‘沪旱61’的N2O 累积排放量较‘秀水134’增加29%,但节水灌溉处理中‘沪旱61’的N2O 累积排放量较‘秀水134’减少38%。

表2 稻季不同试验处理的稻谷产量、CH4 和N2O 累积排放量及温室气体排放强度Table 2 Rice yields,CH4 and N2O emissions,greenhouse gas emission intensities from different treatments in the rice growing season

节水灌溉处理中‘沪旱61’的温室气体排放强度较常规灌溉处理降低43%。 然而,‘秀水134’在节水灌溉处理中N2O 累积排放量较高,致使该处理的温室气体排放强度较常规灌溉处理高5%。 常规灌溉处理中‘沪旱61’和‘秀水134’的温室气体排放强度基本一致;但在节水灌溉处理中‘沪旱61’的温室气体排放强度较‘秀水134’降低46%。

2.5 稻季径流量与TN∕TP 径流损失量的变化规律

常规灌溉处理的径流量高于节水灌溉处理(图3a)。 常规灌溉处理在稻季中后期(水稻移栽后51 d和120 d)的径流量较前期有所增加,而节水灌溉处理的径流主要发生在稻季中后期。 常规灌溉处理的TN 径流损失主要发生在前中期,这主要与氮肥的施用有关;而TP 的径流损失则主要出现在中后期,这可能与含磷固体颗粒物的径流损失密切相关(图3b,c)。 在稻季中后期,节水灌溉处理的TN 和TP 径流损失量均低于常规灌溉处理。

2.6 稻季总径流量与TN∕TP 径流损失总量

由表3 可知,节水灌溉处理中‘沪旱61’的总径流量、TN 径流损失量和TP 径流损失总量较常规灌溉处理分别降低了74%、77%和65%,而‘秀水134’则分别减少了71%、71%和74%。 在常规灌溉处理中‘沪旱61’的总径流量、TN 和TP 径流损失总量较‘秀水134’相对减少31%、18%和21%;而在节水灌溉处理中‘沪旱61’的总径流量和TN 径流损失总量较‘秀水134’也相对减少36%和35%,但两者的TP 径流损失总量基本一致。

3 讨论

3.1 节水灌溉处理对温室气体的减排效果

田间水分是影响稻田CH4和N2O 排放的重要因素之一[18-21]。 节水灌溉处理改变稻田土壤表面水层变化规律和土壤湿度状况,使土壤在较长时间内处于无表面水层、好氧状态,抑制产甲烷菌的活性并刺激甲烷氧化菌的活性[22]。 节水灌溉处理中,由于灌溉量相对较少,稻季前期土壤表面水层消失时,N2O 大量释放;在稻季中期,稻田复水追肥时,同样出现N2O 排放峰。 节水灌溉处理的N2O 排放量增加37%—186%,这可能是由于稻田土壤处于无水层、好氧状态,刺激加速硝化或反硝化过程导致[12]。 与节水灌溉处理相反,常规灌溉处理较长时间的淹水厌氧状态能促使土壤氮素经反硝化过程转化为N2[3]。 相对于常规灌溉处理,节水灌溉处理可降低CH4排放,提高N2O 排放[13-14,17,23-24]。

节水灌溉处理中,节水抗旱稻‘沪旱61’的CH4和N2O 排放量明显低于普通水稻‘秀水134’(表2),而Sun 等[13]研究结果表明,节水灌溉处理下,节水抗旱稻‘旱优8 号’的平均CH4排放量和N2O 排放量均高于普通水稻‘花优14’,这可能是由稻类品种本身温室气体排放属性的差异造成的[25]。 常规灌溉处理下节水抗旱稻和普通水稻的温室气体排放强度基本一致;节水灌溉处理下节水抗旱稻的温室气体排放强度较常规灌溉处理降低43%,但普通水稻的温室气体排放强度相对增加5%(表2)。 这说明节水灌溉处理对温室气体排放强度的影响很大程度上取决于稻类品种,采取节水灌溉措施并结合栽培种植节水抗旱稻在降低温室气体排放强度方面更具优势。

3.2 节水灌溉处理对面源污染的减排效果

节水灌溉处理明显减少灌∕排水次数,可有效节省劳力。 节水灌溉处理的总灌溉量和总径流量仅为常规灌溉处理的24%和26%—29%,有利于提高水分生产率[9]。 与常规灌溉处理相比,节水灌溉处理的TN和TP 径流损失量显著减少71%—77%和65%—74%。 这表明节水灌溉措施可有效降低因稻田养分径流损失而造成的自然水体污染的风险。 在常规灌溉和节水灌溉处理中,节水抗旱稻较普通水稻总径流量、TN 和TP 径流损失量均减少。 这表明在两种灌溉处理下栽培种植节水抗旱稻均可减少养分径流损失,减轻自然水体污染程度。

3.3 节水灌溉处理对产量的影响

节水灌溉处理使节水抗旱稻和普通水稻显著减产,有效穗数和氮肥利用率较低[11,26-28]。 节水灌溉处理能够改变土壤水分和氧化还原状况,从而影响养分在土壤里的转化、分布及生物有效性,最终影响水稻产量[29]。 但也有研究发现,节水灌溉处理能提高水稻产量[12,30],这可能是因为该处理的土壤中残留较多的总氮、铵态氮或硝态氮,可被水稻吸收利用[12]。

虽然节水灌溉处理使节水抗旱稻和普通水稻减产,但是节水抗旱稻的减产幅度(12%)低于普通水稻(17%)。 说明在节水灌溉条件下,节水抗旱稻在抗旱∕稳产能力上具有一定的优势。 有研究发现,在较为干旱的条件下种植普通水稻品种往往会造成明显减产,但种植具有抗旱特性的旱稻品种则能维持较高的产量[31]。 节水抗旱稻品种较好的根系性能和较强的生理活性也许是其减产幅度较小的重要生理基础[27]。

4 结论

节水灌溉处理显著抑制稻田CH4排放但刺激N2O 排放,温室气体排放强度取决于稻类品种;可减少稻田的灌溉量和径流量,降低TN∕TP 的径流损失量,减小对自然水体的污染风险。 但是节水灌溉处理会造成水稻减产,其中节水抗旱稻减产幅度相对较小。 在两种灌溉处理下,栽培种植节水抗旱稻不但能够获取与普通水稻相近的产量,而且还能相对降低温室气体排放强度和减少TN∕TP 的径流损失量。 因此,栽培种植节水抗旱稻并采取节水灌溉措施可做到温室气体和面源污染协同减排的效果。