水氮耦合下黑土区稻田生态系统碳源汇效应分析

张忠学 薛 里 李铁成 齐智娟 王忠波 周 欣

(1.东北农业大学水利与土木工程学院, 哈尔滨 150030;2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室, 哈尔滨 150030)

0 引言

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在全球碳收支中占有重要地位。一方面,区域内植物通过光合作用固定大气中的CO2;另一方面,农田生态系统向空气中释放一定量的CO2和CH4,是农田生态系统碳输入和碳排放的主要过程[1]。与此同时,受到自然因素和人类活动的影响[2],农田生态系统将朝着碳“源”或“汇”的方向发展。因此,在倡导低碳农业的环境下,深入探究黑土区农田生态系统碳源汇问题具有重要意义。

据统计,每年植物通过光合作用固定的CO2约占大气CO2总量的10%[3],而土壤通过呼吸作用向大气中排放的CO2占全球温室气体排放总量的10%～12%[4]。已有研究表明,土壤水分条件与肥料供应状况是影响植物固碳量与农田碳排放量的重要因素[5],适宜的水肥管理模式有利于提升农田固碳减排的能力。陈绍民等[6]指出,在不同施肥水平下,增加灌水量使植物周年总固碳量增加2.48%～5.96%。郑恩楠等[7]研究表明,不同水分管理模式会影响水稻干物质量积累和转运,进而影响水稻的固碳能力。孙潇等[8]研究表明,相较于控制灌溉,常规灌溉降低了土壤呼吸速率。但王建林等[9]研究表明,在水分亏缺的情况下,随着灌溉量的增加,会使土壤呼吸速率增强,但灌溉量达到临界值后继续增加反而会抑制土壤呼吸。江原等[10]研究表明氮肥的施入会抑制土壤呼吸。而张超等[11]认为随着施氮量的增加,土壤呼吸速率会呈现先增加后减小的变化趋势。综上所述,不同的水氮管理方式对农田碳排放与碳固定的影响结论不一致。

近年来,学者多采用净土壤碳收支(NSCB)、净生态系统生产力(NEP)和净生态系统碳收支(NECB)3种评价体系对生态系统碳固定量与碳排放量进行估算与分析。其中NSCB评价体系是以土壤系统为边界,相较于NECB未考虑地上部植株固碳量;而NEP评价体系虽然是以整个生态系统为边界,但该体系相较于NECB未将农田土壤的CH4排放造成的碳损失考虑在内。NECB作为一种更加准确评价短时间内生态系统碳固定量与碳排放量的评价体系被研究者采纳。目前,NECB研究主要集中在森林[12]、草地[13]等,对东北黑土区稻田生态系统研究鲜有报道,而东北黑土区在保障我国粮食安全及实现区域“碳中和”具有重要地位。因此,使用NECB评价体系对东北黑土区稻田生态系统进行研究具有重要意义。

本文通过2022年田间试验,对比不同水氮耦合方式下水稻收获后各器官干物质量、碳含量,分析生育期内土壤呼吸CO2排放通量、CH4排放通量及两者排放总量,计算不同水氮耦合方式下水稻各器官净初级生产力、凋落物及根际沉积物净初级生产力,采用NECB对黑土区稻田生态系统固碳减排能力进行评价,以期为探寻节水减排固碳的水肥管理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2022年5—9月在黑龙江省水稻灌溉试验站进行,该试验站位于黑龙江省绥化市庆安县平安镇(46°57′28″N,127°40′45″E),是典型的寒地黑土分布区。试验地多年平均降雨量为550 mm,多年平均水面蒸发量750 mm,无霜期128 d,有效积温2 532℃,作物水热生长时期为156～171 d。气候特征属寒温带大陆性季风气候,水稻生育期内空气温度和降雨量变化如图1所示。土壤pH值为6.44,耕层土壤(0～20 cm)基础肥力为:有机质质量比 44.9 g/kg、全氮质量比1.52 g/kg、全磷质量比147.26 g/kg、全钾质量比18.86 g/kg。

图1 水稻生育期内空气温度和降雨量的日变化曲线Fig.1 Daily variation curves of air temperature and rainfall during rice growth period

1.2 试验设计

试验施氮量设置3个水平:常规施氮水平(N,110 kg/hm2)、减氮10%水平(N1,99 kg/hm2)、减氮20%水平(N2,88 kg/hm2);两种灌溉模式分别为稻作控制灌溉(C)和常规灌溉模式(F),水分管理标准见表1。当田面无水层后,稻作控制灌溉模式各小区采用土壤水分测定仪(TPIME-PICO64/32型)测定土壤含水率,若土壤含水率低于灌水下限,开始灌水至水量上限,同时记录灌水量。试验共设置6个处理,每个处理3次重复,共计18个试验小区,每个小区随机排列,每个小区面积为100 m2(10 m×10 m)。各小区之间田埂向地下内嵌深40 cm的塑料板,以防止各小区的水肥交换。供试水稻品种为当地主栽品种“龙庆稻8”,种植密度为24穴/m2。氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥比例为4.5∶2∶3.5施用;钾肥(K2O)施入量80 kg/hm2,在水稻移栽前与水稻8.5叶龄分两次施入,前后比例为1∶1;磷肥(P2O5)施入量45 kg/hm2,作为基肥一次性施入。

表1 不同灌水模式水分管理标准Tab.1 Water management of different irrigation modes

1.3 水稻收获后各器官干物质量、碳含量、净初级生产力测定

在水稻成熟期于各小区随机选取具有代表性的3穴水稻,将水稻叶、茎鞘、穗、根分开后,用去离子水冲洗干净,放入105℃干燥箱中、鼓风条件下杀青30 min,随后85℃干燥48 h至恒定质量,并称量。干燥后的样品使用球磨机粉碎处理,过80目筛后混匀,于东北农业大学农业农村部水资源高效利用重点实验室使用总有机碳分析仪(Elementar vario TOC)测定水稻各器官碳含量。

水稻净初级生产力计算公式为[14]

NPP=NPPgrain+NPPstem+NPPleaf+NPProot+
NPPlitter+NPPrhizodeposit

(1)

式中NPP——水稻净初级生产力,kg/hm2

NPPgrain——水稻穗净初级生产力,kg/hm2NPPstem——水稻茎初净级生产力,kg/hm2NPPleaf——水稻叶鞘净初级生产力,kg/hm2NPProot——水稻根净初级生产力,kg/hm2

NPPlitter——水稻生育期内凋落物净初级生产力,kg/hm2

NPPrhizodeposit——水稻根际沉积物净初级生产力,kg/hm2

其中NPPlitter依据水稻干物质量5%乘以水稻叶的碳含量进行估算[15],NPPrhizodeposit按照作物总固碳量的11%进行估算[16]。

1.4 排放量测定方法

采用人工静态暗箱法原位采集气样,观测不同处理下各生育期内CH4与CO2的排放量。静态室由有机玻璃制成的密闭性无底箱体和不锈钢底座组成,透明有机玻璃箱体外包裹一层铝箔,以减小太阳照射引起箱内温度变化,箱体内配备空气温度计和电风扇。在水稻移植前,将不锈钢基座嵌入每个地块中,顶部留有密封槽。在进行测量时,注入水以密封凹槽,以避免箱体内的气体和外部空气交换,每隔10 min(0、10、20、30 min)抽取箱内气体进行浓度测量,并使用50mL E-Switch气袋通过橡胶管收集4个气体样品,用于每次CH4浓度测量,并且记录箱内温度变化。依据水稻实际生长情况,将采样箱设计成分节组合式标准箱,由顶箱、中段箱和地箱组成。中段箱和顶箱容积相同,几何尺寸为25 cm×25 cm×50 cm,当水稻植株生长较高时可适时加中段箱。水稻自移栽后第1天起每7 d采气1次,气体采集时间为10:00—12:00,如遇降雨天气延后进行样本采集,随后带回实验室用气相色谱仪(GC-2010PLUS型,日本岛津)进行检测分析CH4浓度。土壤呼吸速率的测定同样采用上述方法,在每个小区内嵌入不锈钢底座,且底座周围是无植株生长的裸地,并且在试验期间不定期清理底座内的活体植物,以保证测定的准确。

CH4与CO2的排放通量计算公式为

F=(273ρhdc/dt)/(273+T)

(2)

式中F——CH4、CO2排放通量,mg/(m2·h)

ρ——标准状态CH4、CO2的密度,其中CH4为0.717 kg/m3,CO2为1.997 kg/m3

h——静态箱内有效高度,m

dc/dt——气体浓度差值,mL/(m3·h)

T——采样时静态箱内平均空气温度,℃

CH4与CO2的排放总量计算公式为

(3)

式中E——CH4、CO2排放总量,kg/hm2

Fi——第i次采样时CH4、CO2排放通量,mg/(m2·h)

Fi+1——第i+1次采样时CH4、CO2排放通量,mg/(m2·h)

Di——第i次采样时间,d

Di+1——第i+1次采样时间,d

1.5 稻田生态系统碳平衡估算

采用净生态系统碳收支(NECB)对短时间内农业生态系统碳平衡进行估算,计算公式为[17]

NECB=NPP-RH-c-Harvest-c-CH4-c

(4)

式中NPP——净初级生产力,kg/hm2

RH-c——土壤呼吸碳排放量,kg/hm2

CH4-c——甲烷碳排放量,kg/hm2

Harvest-c——水稻成熟期收获后离田碳量,kg/hm2

其中RH-c按照CO2排放总量的12/44进行计算,CH4-c按照CH4排放总量的12/16进行计算。

NECB正值表示稻田生态系统净碳吸收,负值表示稻田生态系统净碳损失。

1.6 数据分析

采用Excel 2016进行数据处理,Origin 9.0软件进行作图,并利用SPSS 17.0进行统计分析,采用Duncan法进行多组样本间差异显著性分析,统计显著性假设为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同水氮耦合方式对收获后水稻各器官干物质量、碳含量的影响

不同水氮耦合方式下水稻收获后各器官干物质量、碳含量如图2(图中不同小写字母表示同种器官不同处理间差异显著(P<0.05))所示。试验结果表明,常规灌溉模式下,水稻各器官干物质量均随施氮量的减少而减少;稻作控制灌溉模式下,CN处理各器官干物质量均大于CN2处理;CN1处理叶、茎、根的干物质量均大于其他施氮处理。当施氮量相同时,除CN1处理穗干物质量低于FN1处理外,稻作控制灌溉模式下各处理不同器官干物质量均大于常规灌溉模式。稻作控制灌溉模式下,各处理水稻各器官碳含量均随氮量的减小呈现先增加后减小的变化趋势,其中CN1处理叶、茎、根、穗碳含量较CN2处理分别增加15.83%、4.8%、12.46%、39.94%;常规灌溉模式下,各处理水稻各器官碳含量均随施氮量的减小而减小,除FN处理穗碳含量显著高于FN2处理外(P<0.05),其余处理各器官含碳量不存在显著性差异(P>0.05)。相同施氮量下,除CN处理茎碳含量低于FN处理外,稻作控制灌溉模式下各器官碳含量均高于常规灌溉模式,其中CN、CN1处理叶碳含量显著高于FN、FN1处理(P<0.05)。

图2 不同水氮耦合方式下水稻各器官干物质量和碳含量Fig.2 Dry matter mass and carbon content of rice organs under different water and nitrogen coupling modes

2.2 不同水氮耦合方式对稻田土壤呼吸CO2排放通量及排放总量的影响

不同水氮耦合方式下稻田土壤呼吸CO2排放通量如图3所示。试验结果表明,不同水氮耦合方式对土壤呼吸CO2排放通量及排放总量均有影响。两种灌溉模式下,水稻各生育期土壤呼吸CO2排放通量呈先增大后减小的趋势。自返青期开始,由于水稻根系不发达,导致土壤呼吸速率较弱,随着肥料的施入与土壤温度的升高的影响,各处理土壤CO2排放通量速率逐渐增加。到分蘖期,各处理土壤呼吸CO2排放通量均达到最大值,其中CN处理较CN1、CN2处理分别增加44.13%、100.01%;FN处理较FN1、FN2处理分别增加15.95%、43.45%。相同灌溉模式下,随着施氮量的减少,微生物活性降低,进而导致土壤呼吸CO2排放通量随施氮量的减少而降低;相同施氮量下,因稻作控制灌溉模式为土壤微生物提供了良好的氧气环境,微生物代谢较快,使得稻作控制灌溉模式下各处理土壤呼吸CO2排放通量均大于常规灌溉模式。

图3 不同水氮耦合方式下土壤呼吸CO2排放通量Fig.3 Soil respiration CO2 fluxes under different water and nitrogen coupling modes

不同水稻耦合方式下稻田土壤呼吸CO2排放总量见表2。结果表明,稻作控制灌溉模式下CN处理土壤呼吸CO2排放总量显著高于其他各处理(P<0.05);当施氮量相同时,稻作控制灌溉模式下各处理土壤呼吸CO2排放总量均大于常规灌溉模式;相同灌溉模式下,各处理土壤呼吸CO2排放总量均随施氮量的减少而降低,其中CN处理较CN1、CN2处理分别增加51.00%、116.36%,FN处理较FN1、FN2处理分别增加30.24%、59.55%。

表2 不同水氮耦合方式下CH4排放总量和CO2排放总量Tab.2 Total CH4 and CO2 emissions under different water and nitrogen coupling modes kg/hm2

2.3 不同水氮耦合方式对稻田CH4排放通量及排放总量的影响

不同水氮耦合方式下稻田CH4排放通量如图4所示。试验结果表明,不同水氮耦合下各处理CH4排放通量变化规律相似,在整个生育期呈现两个峰值,且在晒田期出现最低值。在返青期由于两种灌溉模式都处于淹水状态,且土壤温度较低,各处理CH4排放通量都处于较低水平,随着蘖肥施入,稻田土壤温度逐渐升高,水稻根系迅速生长且释放出大量根系分泌物,进而为产甲烷菌提供丰富的底物,在分蘖期出现第1个峰值,其中FN处理较FN1、FN2处理分别增加20.13%、37.12%;CN、CN1、CN2各处理较FN处理分别减少70.87%、140.33%、242.51%。由于晒田期改变了稻田土壤的水分含量与氧气环境,进而为甲烷氧化菌提供较好的条件,各处理CH4排放通量又降至同一较低水平。晒田期结束后,复水施入穗肥,进而使得各处理CH4排放通量再次达到峰值,其中FN处理较FN1、FN2处理分别增加20.66%、25.82%;CN、CN1、CN2各处理较FN处理分别减少14.59%、23.32%、37.93%。相同施氮量下,除返青期外,稻作控制灌溉模式下各处理CH4排放通量均小于常规灌溉;相同灌溉模式下,随着施氮量的减少,各处理稻田CH4排放通量逐渐降低。

图4 不同水氮耦合方式下CH4排放通量Fig.4 CH4 emission fluxes under different water and nitrogen coupling modes

不同水氮耦合方式下稻田CH4排放总量如表2所示。结果表明,常规灌溉模式中FN处理CH4排放总量显著高于其他各处理(P<0.05);相同施氮量下,常规灌溉模式各处理CH4排放总量均显著高于稻作控制灌溉模式(P<0.05);相同灌溉模式下,各处理CH4排放总量均随施氮量的减少而降低,其中CN处理较CN1、CN2处理分别增加20.14%、46.59%,FN处理较FN1、FN2处理分别增加17.16%、32.59%。

2.4 不同水氮耦合方式对收获后水稻净初级生产力的影响

不同水稻耦合方式下水稻收获后不同器官、凋落物、根际沉积物净初级生产力如表3所示。试验结果表明,各处理水稻净初级生产力范围为4 245.82～6 958.19 kg/hm2。常规灌溉模式下,水稻收获后不同器官、凋落物、根际沉积物净初级生产力均随施氮量的减小而减小,其中FN、FN1处理穗的净初级生产力显著大于FN2处理(P<0.05);稻作控制灌溉模式下,除穗的净初级生产力随施氮量的减少而降低外,水稻收获后不同器官、凋落物、根际沉积物净初级生产力均随施氮量的减小呈先增大后减小变化,其中CN1处理茎、叶、根、凋落物净初级生产力均显著大于其他各处理(P<0.05)。相同施氮量下,稻作控制灌溉模式下各处理净初级生产力均大于常规灌溉模式,其中CN、CN1、CN2各处理净初级生产力较FN、FN1、FN2各处理分别增加11.17%、31.92%、2.98%。综合来看,穗净初级生产力最高、凋落物净初级生产力最低,分别占其水稻净初级生产力的42.88%～51.82%、3.19%～3.90%。

表3 不同水氮耦合方式下收获后水稻净初级生产力Tab.3 Net primary productivity of rice after harvest under different water and nitrogen coupling modes kg/hm2

2.5 不同水氮耦合方式对稻田净生态系统碳收支的影响

不同水氮耦合方式下稻田生态系统净碳收支如表4所示。试验结果表明,各处理稻田净生态系统碳收支均为正值,表示该黑土区稻田生态系统为净碳汇,其中CN1处理净碳收支显著高于其他各处理(P<0.05)。常规灌溉模式下,NECB均随施氮量减小而降低,其中FN1、FN2处理较FN处理分别降低23.97%、6.28%;稻作控制灌溉模式下,NECB随着施氮量的减小呈现先增加后减小的变化趋势。各处

表4 不同水氮耦合方式下稻田净生态系统碳收支Tab.4 Net ecosystem carbon budget of paddy field under different water and nitrogen coupling modes kg/hm2

理土壤呼吸排放的碳占碳排放总量的63.16%～83.84%,这表明在稻田生态系统中土壤呼吸是碳损失的主导因素。综合来看,不同水氮耦合方式下该黑土区稻田生态系统均表现出较强的碳“汇”能力,其中CN1处理最高,为1 082.87 kg/hm2。

3 讨论

农田生态系统碳库是受人类活动干扰最频繁的碳库,对维持全球碳平衡具有重要作用[18]。稻田生态系统碳平衡包括碳输入和碳输出两个过程,增强水稻固碳能力与减少温室气体碳排放,是实现稻田固碳减排的重要途径。本研究结果表明,相同施氮量下,稻作控制灌溉模式下各处理不同器官干物质量和碳含量均大于常规灌溉模式,原因可能是稻作控制灌溉模式相比于常规灌溉模式而言,稻田土壤含水率较低且通气性较好,氧气含量高,进而促进了水稻根系呼吸,改善了水稻根际环境[19],有利于延缓水稻后期根系衰老,促进水稻后期生长。稻作控制灌溉模式下各施氮处理土壤呼吸CO2排放通量与CH4排放通量均大于常规灌溉模式,一方面,稻作控制灌溉频繁的复水和退水过程会促进土壤进行呼吸作用[20],与此同时,稻作控制灌溉可以增加土壤通气性,提高土壤氧化还原电位,减少还原性物质的积累,从而减少CH4排放[21],另一方面,也可能是稻作控制灌溉模式下水稻将部分气孔关闭以保持水分减少蒸腾,减少稻田植株CH4气体排放[22]。同时,本研究还表明,相同灌溉模式下,土壤呼吸CO2排放通量与CH4排放通量均随施氮量的增加而增大,原因可能是一方面由于增加氮肥输入会促进有土壤有机质的氧化分解[23],另一方面氮肥输入量增加也会提高土壤微生物活性与产甲烷菌群丰度,促进二者的活动和生长,从而提高土壤呼吸CO2排放通量与CH4排放通量[24-25]。但王毅勇等[26]认为,氮肥施用会使土壤呼吸作用增强,改善了根系的氧气供应,进而使产甲烷菌活性减弱,从而降低CH4排放,这可能与稻田理化性质有关,高氮的输入增加了土壤酸度进而抑制了微生物活性,从而减小CH4的排放[27]。

不同水氮耦合方式下各处理NECB均为正值,表明东北黑土区稻田生态系统为净碳吸收,表现出较强的碳“汇”功能。而KIM等[28]在温带稻田研究表明该地区稻田生态系统呈现出弱碳“汇”,这可能是由于黑土区土地肥沃,天然有机质含量高,微生物种类多及活性高[29],促进作物生长,进而提高稻田生态系统的碳输入量,且本研究将水稻留田残茬净初级生产力考虑在内,残茬净初级生产力占总初级生产力的26.52%～32.16%,如果未将水稻残茬净初级生产力考虑在内,本研究各处理NECB将呈现负值,黑土区稻田生态系统将会由碳“汇”变成碳“源”,由此可见,水稻残茬净初级生产力对稻田生态系统碳平衡具有重要作用。常规灌溉模式下,NECB随着施氮量的减小而减小,而稻作控制灌溉模式下,随着施氮量的减小NECB则呈现先增大后减小的变化趋势,并在减氮10%时达到最大值,原因在于,在稻田生态系统碳输入上,在一定范围内减施氮肥会提高作物的固碳能力,过度减氮会抑制植株光合,并且地上部各器官有机质累积量下降,进而影响干物质量与碳含量[30],同时,稻作控制灌溉模式相较于常规灌溉模式,其能够节水保肥,提高水稻各器官的氮素累积量与氮肥利用效率[31],且降低氮素淋溶量[32],所以稻作控制灌溉模式下相较于常规施氮量减少10%仍能满足水稻生长需求,在稻田生态系统碳输出上,相同灌水模式下,各处理的碳排放量损失均随施氮量的减小而减小,且CN处理的碳排放量损失较CN1、CN2处理分别高44.99%、100.91%,因此,在常规淹灌和稻作控制灌溉两种不同灌溉制度下NECB随着施氮量的减小呈现不同的变化规律。此外,NECB作为生态系统碳平衡的评价体系也存在一些不足,该体系只准确评估短时间内生态系统碳收支,对于长期观测生态系统碳收支时往往会忽视土壤碳库的变化,因此还需进一步完善NECB评价体系,提出能够长期观测农田生态系统碳收支的计算方法。

4 结论

(1)稻作控制灌溉模式下水稻根、茎、叶碳含量均随施氮量的减小而呈现先增加后减小的变化趋势;常规灌溉模式下,不同处理水稻根、茎、叶、穗碳含量均随施氮量的减小而减小。相同施氮量下,稻作控制灌溉模式下各处理不同器官干物质量和碳含量均大于常规灌溉模式。

(2)从返青期开始,不同处理土壤呼吸CO2排放通量呈现先增加后减小的趋势;各处理CH4排放通量在整个生育期内呈现两个峰值,并在晒田期出现最低值。相同灌溉模式下,土壤呼吸CO2排放总量与CH4排放总量均随着施氮量的减小而降低。相同施氮量下,稻作控制灌溉下各处理土壤呼吸CO2排放总量均大于常规灌溉模式,而CH4排放总量小于常规灌溉模式。

(3)不同处理下黑土区稻田NECB均为正值,表示该黑土区稻田生态系统为净碳“汇”,其中CN1处理最高,为1 082.87 kg/hm2。常规灌溉模式下,NECB和NPP均随着施氮量的减小而减小,而稻作控制灌溉模式下,随着施氮量的减小二者则呈现先增大后减小的变化趋势,并均在减氮10%时达到最大值。